Download 1 eidesstattliche erklärung - Ruprecht-Karls

EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG .................................................................................... 5
DANKSAGUNG ............................................................................................................ 6
VORBEMERKUNG..................................................................................................... 7
I. EINFÜHRUNG ....................................................................................................... 10
I.1. UNTERSUCHUNGSGEGENSTAND UND MOTIVATION ................................................. 10
I.2. AUFGABENSTELLUNG .......................................................................................... 11
I.3. VORGEHENSWEISE ............................................................................................. 12
II. FORSCHUNGSSTAND UND METHODEN .......................................................... 14
II.1. STAND DER FORSCHUNG .................................................................................... 14
II.1.1. Wandel der Forschungsschwerpunkte seit dem 19. Jahrhundert ............. 14
II.1.2. Stand der Forschung in der Überschwemmungsflächenprognose und vorhersage .......................................................................................................... 16
II.1.3. Stand der Forschung im Bereich der Druckwasserflächenprognose/vorhersage .......................................................................................................... 17
II. 2. METHODEN DER INUNDATIONSFLÄCHENERFASSUNG ............................................ 18
II.2.1. Überblick über die gängigen Methoden der Inundationsflächenbestimmung
............................................................................................................................ 19
II.2.2. Einsatz von Satellitenbilddaten zur Inundationsflächenerfassung............ 23
II.2.3. Im Rahmen des Promotionsprojekts angewandte Methoden der
Inundationsflächenerfassung .............................................................................. 24
III. HYDROGEOGRAPHISCHE MERKMALE DES UNTERSUCHUNGSGEBIETES
.................................................................................................................................. 33
III.1. NATÜRLICHER ZUSTAND .................................................................................... 33
III.1.1. Geologische Merkmale des Oberrheingebietes ....................................... 33
III.1.2. Grundwasserleiter im Untersuchungsgebiet ............................................ 34
III.1.3. Die Ausbildung des Reliefs in der Rheinniederung .................................. 36
III.1.4. Interaktion von Fluss und Grundwasser................................................... 39
III.1.5. Abflussregime des Rheins ....................................................................... 42
III.1.6. Einfluss des Klimas die Hochwasserdynamik im .................................... 45
Untersuchungsgebiet .......................................................................................... 45
III.2. ANTHROPOGENE VERÄNDERUNGEN ................................................................... 48
III.2.1. Die Oberrheinkorrektion und ihre Folgen im Untersuchungsgebiet.......... 51
III.2.2. Weitere Ausbaumaßnahmen am Rhein .................................................. 55
III.2.3. Intensivierng der Nutzung der Rheinaue im zwanzigsten Jahrhundert. ... 56
III.2.4. Gesamteinfluss der seit dem 19. Jh. erfolgten anthropogenen Eingriffe auf
die Inundationdynamik des Rheins ..................................................................... 57
III.2.5. Errichtung von Hochwasserpoldern und Renaturierungsmaßnahmen ..... 60
IV. ERPROBUNG FERNERKUNDLICHER METHODEN DER
INUNDATIONSFLÄCHENBESTIMMUNG IM UNTERSUCHUNGSGEBIET............ 61
IV.1. GEWINNUNG VON LUFTBILDMATERIAL ................................................................ 61
IV.2. AUFBEREITUNG UND AUSWERTUNG DER LUFTBILDER .......................................... 64
IV.2.1. Analoge Auswertungsverfahren............................................................... 64
IV.2.2. Auswertung der Luftbilder mit Hilfe digitaler Bildbearbeitungsysteme ..... 64
IV.2.3. Identifizierung von Wasserflächen im Luftbild.......................................... 67
IV.2.4. Vektorisierung von klassifizierten Luftbildern mit dem Vector Tool von
IMAGINE............................................................................................................. 71
IV.2.5. Digitalisierung von Inundationsflächen am Bildschirm ............................. 71
1
V. ERGEBNISSE DER EMPIRISCHEN INUNDATIONSFLÄCHENKARTIERUNGEN
.................................................................................................................................. 72
V.1. URSACHEN UND AUSMAß DER ÜBERSCHWEMMUNGEN DER UNTERSUCHTEN
HOCHWASSEREREIGNISSE ........................................................................................ 73
V.1.1. Ursache der Hochwasserereignisse mit jährlicher (und höherer)
Eintrittswahrscheinlichkeit (WQ1) ....................................................................... 74
V.1.2. Beschreibung der Inundationen von Hochwasserereignissen mit jährlicher
(und höherer) Eintrittswahrscheinlichkeit (WQ1)................................................. 76
V.1.3. Ursache der beobachteten „Jahrhunderthochwasser“ (WQ20 bis WQ100)
............................................................................................................................ 79
V.1.4. Beschreibung der Inundationen von 1999 (WQ 20 bis WQ100) .............. 80
V.2. ERGEBNISSE DER DRUCKWASSERFLÄCHENUNTERSUCHUNGEN ............................ 83
IM SOMMER 1999 ..................................................................................................... 83
V.2.1. Burglache und Falkenhof bei Waldsee .................................................... 83
(Beispiel I: „echte“ Druckwasserflächen)............................................................. 83
V.2.2. Auf der Au................................................................................................. 85
(Beispiel II: „Echte“ Druckwasserfläche mit guter Rheinanbindung) ................... 85
V.2.3. Kollerinsel ................................................................................................. 86
(Beispiel III: Sickerwassersammelflächen und Druckwasserflächen).................. 86
V.2.4. Schänzel................................................................................................... 88
(Beispiel IV: Ausbreitung von Druckwasserwellen in ungespannten Verhältnissen
)........................................................................................................................... 88
V.3. MODELL DER AUSBREITUNG VON DRUCKWASSERWELLEN IM UNTERGRUND ........... 88
V.3.1. Modell für länger anhaltende Wasserstandserhöhungen (Abb. 89.)......... 89
V.3.2. Modell für die Interaktion Fluss-Grundwasser bei einem „Jahrhundert“
Hochwasser (Abb. 90.)........................................................................................ 89
V.3.3. Modell für vorrübergehend erhöhnten Wasserstand (Abb. 91. und 92.) ... 89
V.3.4. Modell für den Druckwassertyp „Schänzel“ (Abb. 93.).............................. 90
V.3.5. Modell für den Druckwassertyp „Burglache“ (Abb. 94. bis 97.)................. 90
V.4. TYPISIERUNG VON INUNDATIONSFLÄCHEN ANHAND DER
UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE .................................................................................. 90
V.4.1. Unterscheidung von Überschwemmungsflächen nach der Herkunft des
einströmenden Wassers ..................................................................................... 91
V.4.2. Unterscheidung der Inundationsflächen nach dem Substrat .................... 92
V.4.3. Unterscheidung der Inundationsflächen in Abhängigkeit vom für eine
Flutung abhängigen Wasserstand ...................................................................... 93
V.4.4. Herkunft des Wassers in den Druckwasserflächen................................... 93
V.4.5. Vorschlag für eine Terminologie zur Charakterisierung von
Inundationsflächen.............................................................................................. 94
VI. ERGEBNISSE DER AUSWERTUNG HISTORISCHER KARTEN...................... 96
VI.1. QUANTIFIZIERUNG DER HISTORISCHEN LANDNUTZUNG UND DES
LANDSCHAFTSWANDELS IN DER RHEINNIEDERUNG ...................................................... 97
VI.1.1. Zustand und Wandel der Landschaft im Untersuchungsgebiet von 1856
bis 1875 .............................................................................................................. 97
V.1.2. Wandel der Landschaft im Untersuchungsgebiet von 1856 bis 1999 ....... 98
VI.2. GENESE DER DIREKTEN INUNDATIONSFLÄCHEN ................................................... 99
VI.2.1. Böllenwörth.............................................................................................. 99
VI.2.2 Auwald im Süden und Osten der Rheinhäuser Weide............................ 100
VI.2.3. Insel Horn ............................................................................................. 101
VI.2.4. Ergebnisse............................................................................................. 101
2
VI.3. DIE HISTORISCHE LANDNUTZUNG ALS INDIKATOR FÜR REZENTE
DRUCKWASSERFLÄCHEN......................................................................................... 102
VI.3.1. Der Zusammenhang zwischen historischer Landnutzung und rezenter
Druckwasserdynamik ........................................................................................ 102
VI.3.2. Das räumliche Muster der Landnutzung im Jahre 1856 ....................... 105
VI.3.3. Quantitativer Vergleich zwischen den im Jahre 1856 extensiv
bewirtschafteten Flächen und den während des Pfingsthochwassers 1999
kartierten Inundationsflächen ............................................................................ 105
VI.3.4. Kritische Diskussion der Ergebnisse anhand von Beispielen ................ 107
VII. GIS-BASIERTES MODELL ZUR PROGNOSE DER RÄUMLICHEN
AUSBREITUNG VON HOCHWASSEREREIGNISSEN ......................................... 111
VII.1. AUFGABEN UND ZIELE DES INUNDATIONSFLÄCHENMODELLS .............................. 113
VII.2. SAMMLUNG UND GIS-IMPLEMENTIERUNG ALLER .............................................. 114
EMPIRISCHEN INUNDATIONSFLÄCHENDATEN .............................................................. 114
VII.3. ERSTELLUNG EINES DIGITALE GELÄNDEHÖHENMODELLS ................................... 114
VI.4. SIMULATION VON INUNDATIONEN AUF DGHM-GRUNDLAGE IM GIS..................... 115
VII.5. VERGLEICH DER IM GIS SIMULIERTEN MIT ....................................................... 116
DEN TATSÄCHLICH BEOBACHTEN INUNDATIONEN ........................................................ 116
VII.6. ERARBEITUNG DER INUNDATIONSFLÄCHENPROGNOSEN .................................... 117
VII.6.1. Direkte Inundationsflächen ................................................................... 117
VII.6.2. Sickerwassersammelflächen ................................................................ 119
VII.6.3. Druckwasserflächen ............................................................................. 121
VII.7. RESUMÉ ....................................................................................................... 124
VIII. OFFENE AUFGABEN UND FORSCHUNGSFRAGEN................................... 126
VIII.1. NUTZUNG DES ERARBEITETEN INUNDATIONSFLÄCHENMODELLS ZUR
HOCHWASSERWARNUNG UND –VORHERSAGE ........................................................... 126
VIII.1.1. Die Notwendigkeit von Wasserstands- und
Inundationsflächenvorhersagen ........................................................................ 126
VIII.1.2. Verbreitung von Inundationsflächendaten in einem internetbasierten
Hochwasserinformationssystem ....................................................................... 127
VIII.2. OFFENE FORSCHUNGSFRAGEN ..................................................................... 130
VIII.2.1. Interpretation von hochwasserbedingten Vegetationsveränderungen im
Luftbild .............................................................................................................. 130
VIII.2.2. Erfassung der druckwasserbedingten Schäden in der Aue ................. 130
VIII.2.3. Inundationsflächenmodellierung und Erhebung empirischer
Inundationsflächendaten für andere Flussgebiete ............................................ 131
VIII.3. ÜBERTRAGBARKEIT DER ERGEBNISSE AUF ANDERE UNTERSUCHUNGSGEBIETE . 131
IX. ZUSAMMENFASSUNG .................................................................................... 133
X. ANHANG............................................................................................................ 138
X.1. BEGRIFFSKLÄRUNG ......................................................................................... 138
X.2. ÖKOLOGIE, BRUTPLÄTZE UND BEKÄMPFUNG DER .............................................. 140
CULICINAEN AM OBERRHEIN .................................................................................... 140
X.2.1. Stechmückenarten am Oberrhein ........................................................... 140
X.2.2.Ökologie und Brutplätze der Aedes vexans............................................. 141
X.2.3.Biologische Stechmückenbekämpfung am Oberrhein ............................. 144
XI. LITERATUR ...................................................................................................... 147
X.1. NACHWEIS DER ZITIERTEN MONOGRAPHIEN UND ZEITSCHRIFTEN ........................ 147
3
X.2. NACHWEIS DER ZITIERTEN LITERATUR UND PRESSEMITTEILUNGEN AUS DEM INTERNET
............................................................................................................................. 162
X.3. NACHWEIS DES VERWENDETEN HISTORISCHEN KARTENMATERIALS ..................... 163
4
Eidesstattliche Erklärung
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne fremde
Hilfe verfasst habe, und dass alle wörtlich oder sinngemäß aus Veröffentlichungen
entnommenen Stellen dieser Arbeit unter Angabe der Quellen einzeln kenntlich
gemacht sind.
Heidelberg, 20. Oktober 2002
Richard Leiner
5
Danksagung
Mein aufrichtiger Dank gilt
an erster Stelle Herrn Prof. Dr. Heinz Karrasch für das Engagement, mit denen er
mein Promotionsprojekt förderte. Er war mir stets ein väterlicher Ratgeber.
Ebenso Herrn Prof. Dr. Werner Fricke für freundlichen Rat und die Ermunterung zu
diesem Projekt und dafür, dass er meine Begeisterung für die Fernerkundung weckte
und förderte.
Herrn Dr. Norbert Becker und Herrn Dr. Christian Weiser für Ihren Rat und die
Ermunterung zu diesem Projekt, die Finanzierung einer Befliegung des
Untersuchungsgebietes von Mannheim bis Karlsruhe sowie die Möglichkeit das GISSystem der KABS aufzubauen.
Herrn Prof. Dr. Peter Meusburger und Herrn Prof. Dr. Hans Gebhardt für den
freundlichen und unkomplizierten Zugang zu Ihren PC-Pools.
Den an diesem Forschungsprojekt beteiligten Diplomanden Gernot Hilpisch,
Clemens Jakobs und Andreas Kirrstein, die mit viel Engagement ihre Themen
bearbeiteten und sehr gute Diplomarbeiten ablieferten.
Dem Fluglehrer Walter Graf und seinem Schüler Frank Pettersen, mit denen ich die
wichtigsten Befliegungen des Untersuchungsgebietes 1999 durchführte und die
großzügig auf jegliche Entlohnung verzichteten. Leider konnte ich dem dritten
Cessna-Piloten, Herrn Pitthan, mit dem ich zwei Befliegungen auf der Strecke
Mannheim-Karlsruhe durchführte, nicht mehr für seine großzügige und freundliche
Hilfe danken, da er kurze Zeit nach unserem letzten gemeinsamen Flug aufgrund
eines Motorschadens abstürzte und tödlich verunglückte.
Herrn Prof. Dr. Doug Stow für die herzliche Aufnahme an der San Diego State
University und für den unbürokratischen Zugang zu den CESAR Lab-Rechnern.
Ebenso den dortigen graduated students Alex, Peter und Mike für Hilfe am Rechner
und auf dem Surfbrett, sowie Danilo Suntal für die Herstellung des Kontakts zur
SDSU.
Herrn Micheal Neutzler danke ich dafür, dass er mich für die Rheinauen und ihre
Überschwemmungsprozesse begeisterte, ebenso den weiteren Stechmückenbekämpfern im Distrikt Waldsee, Otterstadt, Speyer - namentlich Axel Wenke,
Florian Hillenkamp, Jörg, Urs, Peer, Andy, Leif und Fabian, die mir beim Kartieren
der Inundationsflächen wichtige Hinweise gaben.
Herrn Dr. Manfred Löscher vom Gymnasium Sandhausen verdanke ich die
kostenlose Nutzung seiner Bohrausrüstung sowie fachkundige und tatkräftige
Unterstützung bei den Bodensondierungen im Untersuchungsgelände.
Dem Helikopterpiloten Pitt Merkatores möchte ich für den unvergesslichen Flug
während des Februarhochwassers 1999 von Speyer bis zum Taubergießen danken.
Zu danken habe ich auch den zahlreichen Studenten und Studentinnen, welche mir
im Rahmen von Geländepraktika und drei Projektseminaren bei der Vermessung und
Kartierung des Untersuchungsgebietes halfen.
Mein Dank gilt auch der Graduiertenförderung des Landes Baden-Württemberg und
dem DAAD, ohne deren finanzielle Unterstützung die umfangreichen
Geländeuntersuchungen, Befliegungen und Luftbildauswertungen nicht hätten
durchgeführt werden können.
Herrn Schuhkraft vom geomorphologischen Labor danke ich dafür, dass ich mir für
die Durchführung Geländepraktia das Nivellement ausleihen konnte.
Und nicht zuletzt meinen Eltern Maja Leiner und Prof. Dr. Bernd Leiner, die mir
meine langjährige Ausbildung finanzierten, sowie meinem Bruder Bastian Leiner, der
es verstand, mich auch in Zeiten schwerer Krankheit am Lachen zu halten.
6
Vorbemerkung
Die vorliegenden Dissertation basiert auf Datenerhebungen für den Zeitraum von
1997 bis Anfang 2001. Aufgrund schwerer Krankheit hat sich die vollständige
Erstellung des Textteils und der Abbildungen um mehr als ein Jahr verzögert.
Inhaltlich ist die Arbeit jedoch bereits im Mai 2001 abgeschlossen worden.
7
Abkürzungsverzeichnis
DGM
Digitales Geländemodell
DGHM
Digitales Geländehöhen Modell
DGK oder DGK5
Deutsche Grundkarte (Maßstab 1:5.000)
DWF
Druckwasserfläche („echte“ Druckwasserfläche
Sickerwassersammelfläche (SWSF)
GIS
Geoinformationssystem
GCP
Ground Control Point (Passpunkt)
GLA
Generallandesarchiv Karlsruhe
GSO/H
Gewässerdirektion Südlicher Oberrhein/Hochrhein
HQ100
Hochwasserabfluss mit einer statistischen Wiederkehrwahrscheinlichkeit von 100 Jahren
HW100
Hochwasserstand mit einer statistischen Wiederkehrwahrscheinlichkeit von 100 Jahren
HVZ
Hochwasser Vorhersage Zentrale des Landes Baden-Württemberg in Karlsruhe
IKSR
Internationale Kommission zum Schutz des Rheins
IRP
Integriertes Rheinprogramm des Landes Baden-Württemberg
KABS
Kommunale Aktionsgemeinschaft zur Bekämpfung der Stechmückenplagen e.V.
KHR
Kommission für die Hydrologie des Rheingebietes
LAWA
Länderarbeitsgemeinschaft Wasser
LfU
Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg
MW
Mittelwasserstand
MW Speyer = 367 cm
o.J.
ohne Jahresangaben
SW Bilder
Schwarzweiß-Luftbilder
SWSF
Sickerwassersammelfläche
TK25
Topographische Karte im Maßstab 1:25.000 (in der vorliegenden Arbeit sind die Karten des
Landesvermessungsamtes Baden-Württemberg damit gemeint)
WHG
Wasserhaushaltsgesetz
im
Gegensatz
zu
einer
8
Ziel:Erarbeitung von Modellen zur Prognose der räumlichen und zeitlichen Dynamik von Inundationsprozessen
Empirische Erfassung
von Inundationsflächen
Exemplarische
Untersuchung
von
Inundationsflächen
Geländebegehungen
(Kartierung bei
Hochwasser)
- Wasserstandsmessung
- Bodensondierungen
- Höhenvermessung der
Druckwasserflächen
- Leitfähigkeitsmessungen
Ergebnis:
Einteilung der
Überschwemmungsflächen in Typen
gleicher
Inundationsdynamik
Auswertung historischer Karten
Digitalisierung und
transformation der
historischen Karten.
Luftbildauswertung
- Recherche historischer
Luftbilder von
Hochwasserereignissen
- Erstellung eigener Luftbilder
von Hochwasserereignissen;
zeitgleiche Bodenkartierung in
Referenzflächen (Ground
Control)
Ergebnis:
GIS Karten der
Inundationsflächen des
Untersuchungsgebietes in
Abhängigkeit vom
Flusswasserstand
Vektorisierung der
historischen Karten im
GIS
Ergebnis:
Digitale Karten der
historischen
Flächennutzung
Quantitative Bilanz des
Landschaftswandels im
Untersuchungsgebiet
Vergleich zwischen der
Flächennutzung der Rheinaue im
19. Jh. und rezenten
Inundationsflächen im GIS
Ergebnis: Karten von potenziell
Druckwassergefährdeten Flächen
Erarbeitung von Inundationsflächenmodellen für das Untersuchungsgebiet
Digitales Geländehöhenmodell (DGHM)
Inundationsflächenmodell
für direkte
Überschwemmungsflächen
Inundationsflächenmodell
für
Sickerwassersammelflächen
Inundationsflächenmodell
für Druckwasserflächen
Einführende Übersicht zur Vorgehensweise der vorliegenden Arbeit
9
I. Einführung
I.1. Untersuchungsgegenstand und Motivation
Hochwasser und Überschwemmungen sind natürlicher Bestandteil der Dynamik
eines jeden Flusses. Ein naturbelassener Fluss besitzt kein festes Bett, sondern
verändert kontinuierlich und zuweilen auch sprunghaft seinen Lauf. Das
Geoökosystem der Flussauen ist an den Wechsel von Überschwemmung und
Trockenheit angepasst und auf regelmäßige Inundationen angewiesen. Gerade weil
die Auen über ein kleinräumiges und sich beständig veränderndes Mosaik von
trockenen und feuchten Standorten verfügen, zählen sie zu den Lebensräumen
Mitteleuropas mit der größten Artenvielfalt und –dichte.
Für den Menschen haben Hochwasserereignisse hingegen oftmals einen
bedrohlichen Charakter, wie nicht zuletzt die „Jahrhundertflut“ an der Elbe im
Sommer 2002 drastisch und öffentlichkeitswirksam vor Augen führte. Bedrohlich
sind Überschwemmungen aber nur dann, wenn menschliche Siedlungen und
Infrastruktur zuvor in der Aue errichtet wurden. Ursprünglich waren die Flussauen frei
von Siedlungen. Ein Hochwasser konnte folglich auch keinen Schaden anrichten.
Römische und mittelalterliche Siedlungsgründungen am Oberrhein entstanden fast
ausschließlich auf hochwassersicheren Standorten. Auch unterlag die im Holozän
weiträumig ausgetiefte Flussaue aufgrund der hohen Grundwasserstände und
regelmäßigen
Überschwemmungen
zunächst
nur
einer
extensiven
landwirtschaftlichen Nutzung (siehe MUSALL 1969 und 1971). Mit dem Beginn des
industriellen Zeitalters und der Neuordnung Deutschlands durch Napoleon wurden
erstmals groß angelegte und langfristig geplante Eingriffe am Rhein vorgenommen.
Die Begradigung des Oberrheins unter Tulla war eine der ingenieurtechnischen
Glanzleistungen des 19. Jahrhunderts (siehe TULLA 1825).
Die nach der
Begradigung einsetzende Tiefenerosion des Flusses war ein durchaus erwünschter
und einkalkulierter Effekt, da hierdurch auch der Grundwasserspiegel in der Aue
sank und neue landwirtschaftliche Nutzfläche gewonnen werden konnte. Gemessen
an den selbst gesetzten Zielen war die Tulla`sche Rheinbegradigung ein voller
Erfolg. Ihr folgten weitere Eingriffe. Unter Max Honsell begann an der Wende vom
19. zum 20. Jahrhundert die Niedrigwasserregulierung und Schiffbarmachung des
Flusses (siehe HONSELL 1885). Der Ausbau des Oberrheins zur Energiegewinnung
erfolgte Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts und fand erst in den 70er Jahren mit
der Errichtung der Staustufe Iffezheim seinen Abschluss (siehe VIESER 1973 und
1985).
Einhergehend mit diesen verschiedenen Ausbauphasen vollzog sich die
Transformation der Flussniederung von einer extensiv zu einer intensiv genutzten
Kulturlandschaft. Die durch den Rheinhauptdamm vom Strom abgetrennte Altaue
wurde zunächst als Ackerland und später, vor allem seit den 60er Jahren des
zwanzigsten Jahrhunderts, als Gewerbe- und Industriefläche genutzt. In einigen
Fällen wurden sogar noch vor wenigen Jahren Wohngebiete in der Altaue
ausgewiesen bzw. neue Gebäude errichtet. Weiterhin erfuhr die verbliebene rezente
Aue vor allem in der Nähe der Ballungszentren (Mannheim/Ludwigshafen; Karlsruhe)
eine unkontrollierte, intensive Nutzung als Freizeit- und Naherholungsgebiet (siehe
MODROW 1981). Im Vertrauen auf den technischen Hochwasserschutz wurden im
Zuge dieser Nutzungsintensivierung beträchtliche Investitionen in einstmals vom
Rhein regelmäßig überschwemmte Flächen getätigt. Ein Dammbruch hätte heute
katastrophale Folgen. Bei einem 200-jährlichen Hochwasserereignis mit
Spitzenabflüssen von mehr als 5.000 m³/s am Pegel Maxau (ein derartiges
10
Hochwasser ereignete sich glücklicherweise seit 1882/83 nicht mehr) wären, nach
Prognosen aus dem Jahr 1997 (GEWÄSSERDIREKTION SÜDLICHER
OBERRHEIN/ HOCHRHEIN 1997; S.3.), schätzungsweise 700.000 Menschen in 95
Städten in der Oberrheinebene von Überschwemmungen betroffen gewesen. Der
damals prognostizierte Schaden lag bei über 10 Milliarden Mark. Doch selbst wenn
die Dämme standhalten ist bei größeren Hochwasserereignissen (wie z.B. in den
Jahren 1999 und 2001) regelmäßig mit Schäden in den mittlerweile bebauten
Flächen der Altaue zu rechnen. Bei derartigen Hochwasserereignissen kommt es in
der Aue zur intensiven Infiltration von Flusswasser in den Untergrund und einem
Grundwasserrückstau. In vermeintlich durch den Rheinhauptdamm geschützten
Gebieten der Altaue tritt dann oberflächlich Grundwasser an der Oberfläche aus und
führt zu flächenhaften Überschwemmungen, feuchten Kellern und Schäden an
Gebäudefundamenten. Bis 1999 fanden diese sogenannten „Druckwasserflächen“ in
Forschung und behördlicher Praxis kaum Beachtung. Aus heutiger Sicht ist zu
konstatieren, dass das gegenwärtig in zahlreichen Flussauen bestehende räumliche
Muster der Flächennutzung oftmals ohne hinreichende Beachtung (oder Kenntnis)
der realen Bedrohung durch Hochwasser entstand.
Eine wesentlichen Ursache hierfür ist der bis heute bestehende Mangel an
verlässlichen Daten und Modellen zur Prognose der Überschwemmungsflächendynamik die sich während eines Hochwasserereignisses in diesen Gebieten
abspielt. Für die Vorhersage von Wasserständen stehen für die wichtigsten
amtlichen Messpegel am Rhein bereits seit Jahren operationell erprobte und
bewährte Modelle zur Verfügung (siehe HOMAGK 1998).
Modelle, welche
realistische, d.h. räumlich und zeitlich hoch aufgelöste Vorhersagen (oder auch nur
Prognosen) der beim Eintritt dieser Wasserstände zu erwartenden
Überschwemmungsflächen berechnen, liegen hingegen heute noch nicht vor (siehe
auch Stand der Forschung). Bezüglich der Inundationsflächendynamik einer
Flussaue stellen sich für die angewandte Forschung und für die Praxis eine Reihe
von Fragen: Welche Flächen einer Flussniederung werden bei einem bestimmten
Wasserstand überschwemmt? Wie lange verbleibt das Wasser in einer einmal
überschwemmten Fläche? Wie groß ist das Hochwasserrisiko an einem bestimmten
Standort? Bei der Erstellung von
kommunalen Bauleitplänen und von
Flächennutzungsplänen im Auebereich sind diese Fragen ebenso von Bedeutung
wie bei Renaturierungsmaßnahmen oder für die biologische Stechmückenbekämpfung. Private Bauherren und Campingplatznutzer haben ebenso ein
begründetes Interesse an der Entwicklung von Inundationsflächenvorhersagen wie
Versicherungsgesellschaften. Dies ist das Problemfeld, mit dem sich die vorliegende
Promotionsarbeit befasst.
I.2. Aufgabenstellung
I.) Erarbeitung von Modellen zur Prognose der räumlichen und zeitlichen Dynamik
von Inundationsprozessen in einem Untersuchungsgebiet
Zentrales Anliegen dieser Arbeit ist die Erarbeitung eines GIS-basierten Modells,
welches beispielhaft für ein Untersuchungsgebiet am Oberrhein das zu erwartende
Ausmaß der Überschwemmungen in der Rheinniederung in Abhängigkeit vom
Rheinwasserstand liefert. Da bisherige Überschwemmungsflächenmodelle das
Phänomen der Druckwasserflächen nicht bzw. nur unzureichend berücksichtigen1, ist
1
siehe auch I.X. Stand der Forschung
11
auf die Prognose der Dynamik dieses Überschwemmungsflächentyps besonderes
Gewicht zu legen.
II.) Erprobung und Entwicklung von Methoden zur Erfassung von Inundationsflächen
Methoden der Inundationsflächenkartierung sind im Untersuchungsgebiet zu
erproben und gegebenenfalls weiterzuentwickeln. Ferner sind Methoden zu
entwickeln, welche in der Lage sind, potenzielle Druckwasserflächen zu identifizieren
und räumlich abzugrenzen.
III.) Empirische Kartierung der rezenten Inundationsprozesse in einem
Untersuchungsgebiet
Um das im Rahmen dieser Arbeit zu entwickelnde Inundationsflächenmodell zu
kalibrieren und zu verifizieren, gilt es, für das Untersuchungsgebiet empirische
Vergleichsdaten von Hochwasserereignissen zu gewinnen. Die rezenten und in der
Vergangenheit bereits abgelaufenen Inundationsprozesse (insbesondere die der
Druckwasserflächen) sind in ihrer räumlichen und zeitlichen Dynamik zu erfassen, zu
dokumentieren und in einfachen induktiven Modellen grundsätzlich zu beschreiben.
Eine beispielhafte, in ihrer Methodik aber auch auf andere Untersuchungsgebiete
übertragbare Erhebung und Aufbereitung dieser Daten im GIS stellt deshalb einen
weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit dar.
I.3. Vorgehensweise
Die vorliegende Promotionsarbeit wurde am Geographischen Institut der Universität
Heidelberg unter der Leitung von Prof. Dr. H. KARRASCH durchgeführt. Die
Geländearbeiten im Untersuchungsgebiet erstreckten sich von 1999 bis 2001 und
konnten aufbauen auf Erfahrungen und Hochwasserkartierungen, welche der Autor
bereits im Rahmen seiner Diplomarbeit gewonnen hatte (LEINER, R. (1998):
Mikroskalige Inundationsflächenkartierung am nördlichen Oberrhein). Die Mittel für
die umfangreichen Gelände- und Fernerkundungsarbeiten beschränkten sich auf ein
Promotionsstipendium des Landes Baden-Württemberg. Die Kommunale Aktionsgemeinschaft zur Bekämpfung der Stechmückenplage (KABS) stellte im Februar
1999 einen Helikopter zur Erstellung von Luftbilder der Überschwemmungsflächen
bereit. Die weiteren Luftbildflüge von Mai bis August 1999 mussten selbst finanziert
werden. Eine Auswertung des umfangreichen Luftbildmaterials konnte dank eines
DAAD Stipendiums im Jahre 2001 am CESAR lab der San Diego State University
(USA) vorgenommen werden. Für drei Arbeitsbereiche wurden im Rahmen des
Promotionsprojektes Diplomarbeiten vergeben:
HILPISCH, G. (2001): Hochwassersimulation am nördlichen Oberrhein mit Hilfe eines
GIS; JACOBS, C. (2002): Landschaftswandel im 19. Jahrhundert und rezente
Druckwassergefährdung in den Auen des mittleren Oberrheins zwischen Phillipsburg
und Mannheim – Eine Auswertung im GIS.; KIRSTEIN, A. (2002): Die zeitliche und
räumliche Dynamik von Druckwasserflächen in den Rheinauen zwischen Mannheim
und Altlußheim. Eine Modelluntersuchung zur Beurteilung von kleinräumigen
Überschwemmungsflächen.
Die umfangreichen Kartierungen, Bodensondierungen, Wasserstands- und
Geländehöhenmessungen während des Hochwasserjahres 1999 wurden mit der
Unterstützung von Studierenden des Geographischen Instituts im Rahmen von zwei
Projektseminaren und drei Geländepraktika durchgeführt.
12
Der Aufbau der vorliegenden Arbeit orientiert sich
Promotionsprojektes und sei im folgenden kurz skizziert:
am
Arbeitsplan
des
In Kapitel II (Forschungsstand und Methoden) wird zunächst der Stand der
Forschung und die in Forschung und Praxis gebräuchlichen Methoden der
Inundationsflächenerfassung betrachtet. Aufgrund des Mangels an verlässlichen
Inundationsflächendaten und der sich daraus ergebenden Notwendigkeit, im
Rahmen des Projektes selbst Inundationsflächendaten zu gewinnen, lag auf der
Erprobung und Entwicklung geeigneter Erhebungsmethoden ein besonderes
Augenmerk.
In Kapitel III (Hydrogeographische Merkmale des Untersuchungsgebietes) werden
die hydrogeographischen Besonderheiten des Untersuchungsgebietes vorgestellt.
Um die sich im Gelände abspielenden rezenten Inundationsprozesse verstehen und
modellieren zu können, war es unerlässlich, die physiogeographische und
anthropogeographische Ausstattung des Untersuchungsgebietes eingehend zu
betrachten. Gerade bei der Untersuchung von Druckwasserflächen erwies sich der
genaue Blick auf die Genese der morphologischen Aue und dem räumlichen und
zeitlichen Wandel der hydrogeographischen Einflussfaktoren als hilfreich.
Die
wichtigsten
Ergebnisse
der
empirischen
Geländearbeiten
und
Überschwemmungsflächenkartierungen von 1997 bis 2001 sind in Kapitel IV
(Ergebnisse der terrestrischen und fernerkundlichen Inundationsflächenkartierungen)
dargestellt. Hochwasserkartierungen im Gelände und die Interpretation
umfangreichen Luftbildmaterials lieferten wasserstandsabhängige Überschwemmungsflächenkarten des Untersuchungsgebietes. Die erstmalig angewandte
Methode der Interpretation von Ernteschäden im Luftbild als Indikator für
Druckwasseraustritte bewährte sich und kann für künftige Untersuchungen
empfohlen werden. Ferner konnte für exemplarisch ausgewählte Druckwasserflächen
durch Wasserstandsmessungen, Wasserleitfähigkeitsmessungen und Bodensondierungen die Inundationsdynamik geklärt werden. Aufgrund der Untersuchungsergebnisse wurden die beobachteten Überschwemmungsflächen in drei
verschiedene Inundationstypen aufgeteilt: In direkte Inundationsflächen,
Druckwasserflächen und Sickerwassersammelflächen. Während für die rezente Aue
eine ausreichende Anzahl von Überschwemmungsflächenkartierungen für
verschiedene Wasserstände gewonnen werden konnten, blieb für die
Druckwaserflächen in der Altaue die Frage nach der maximalen Ausdehnung offen.
Es musste nach weiteren Daten und Methoden gesucht werden, welche die
grundsätzlich von Druckwasseraustritten bedrohten Flächen in der Altaue räumlich
eingrenzen.
Diese Methode konnte gefunden werden in Form einer GIS- gestützten Analyse
historischer Karten. Die Flächennutzung der historischen Rheinstromatlanten wurde
als Indikator für die rezente Verbreitung von Druckwasserflächen genutzt. Ferner
konnte über die Untersuchung der Genese junger Verlandungsflächen eine Methode
entwickelt werden, wie sich Flächen, welche bereits bei geringem Anstieg des
Rheinwasserstandes (etwa 1,7m ü. MW) überschwemmt werden, identifizieren
lassen. In Kapitel V. (Ergebnisse der Auswertung historischer Karten) sind die
Ergebnisse dargestellt.
13
In Kapitel VI (GIS-basiertes Modell zur Prognose der räumlichen Ausbreitung von
Hochwasserereignissen) wurde zunächst auf Grundlage eines digitalen
Geländehöhenmodells (DGHM) des Untersuchungsgebietes ein einfaches,
höhenbasiertes Inundationsflächenmodell entwickelt. Der Vergleich der berechneten
Inundationsflächen mit den tatsächlich kartierten erbrachte teilweise erhebliche
Abweichungen. Für jeden der drei Druckwassertypen wurde deshalb ein eigenes
induktives Modell erstellt. Als Ergebnis wurden für die Rheinwassersstände bis 9,0 m
am Pegel Speyer die zu erwartenden Inundationsflächen im Untersuchungsgebiet in
Kartenform dargestellt.
Die Untersuchungen zeigten, das eine Modellierung von Überschwemmungsflächen
ohne umfangreiche Referenzdaten leicht zu falschen Ergebnissen führt und
insbesondere bei der Modellierung von Druckwasserflächen ein induktiver
Modellansatz dem deduktiven Modellansatz vorzuziehen ist.
II. Forschungsstand und Methoden
II.1. Stand der Forschung
II.1.1. Wandel der Forschungsschwerpunkte seit dem 19. Jahrhundert
Vom neunzehnten Jahrhundert bis in die siebziger Jahre des zwanzigsten
Jahrhunderts wiesen wissenschaftliche Untersuchungen über die Rheinaue bzw. die
Hydrogeographie des Flusses eine überwiegend ingenieurtechnische Orientierung
auf. Diese Forschung stand in engem Zusammenhang mit den verschiedenen
Ausbauphasen des Oberrheins. Unter TULLA entstanden im Rahmen der
Rektifikartion des Oberrheins grundlegende Studien über Gerinne und Hydrodynamik
des Stromes (TULLA (1825)). Ebenso wurde die Erstellung der für die badische
Kartographie wegweisenden Rheinstromatlanten maßgeblich von ihm beeinflusst. Im
Jahre 1828 wurden die ersten Rheingrenzatlanten herausgegeben, denen weitere
aus den Jahren 1838, 1852 und 1872 folgten. Als Fortsetzung dieser Arbeiten nach
Norden folgten in den Jahren 1856 und 1875 die für das Untersuchungsgebiet der
vorliegenden Promotionsarbeit bedeutsamen Atlanten mit dem Grenzverlauf
zwischen Baden und Bayern (SALABA (1997), S.21). Auch die Ausbaumaßnahmen
im Zuge der Schiffbarmachung des Rheins unter Max Honsell waren begleitet von
intensiven Untersuchungen zur Hochwasserdynamik (siehe z.B. HONSELL, M.
(1883): Die Hochwasserkatastrophe am Rhein 1882. sowie HONSELL, M. / TEIN, M.
v. (1891): Auftreten und Verlauf der Hochwasser von 1824, 1845, 1852, 1876 und
1882/83) aber auch zur natürlichen Hydrodynamik des Stromes im Naturzustand,
wie HONSELLs Vortrag auf dem 7. Geographentag im Jahre 1887 belegt
(HONSELL, M. (1887): Der natürliche Strombau des Deutschen Oberrheins). Mit
dem Beginn des Ausbaus des Oberrheins zur Energiegewinnung zu Anfang des
zwanzigsten Jahrhunderts erfuhr der technische Wasserbau eine weitere
Hochphase. Das Betonbett des Grand Canal d`Alsace und die Staustufenkette bis
Iffezheim sind eindrucksvolle Beispiele für technischen Wasserbau des 20.
Jahrhunderts. Noch bis in die 1970er Jahre war die Fachdiskussion über die
Bewältigung der, durch die anthropogene Veränderung des Flusslaufs ausgelösten
Probleme (Tiefenerosion, Grundwasserspiegelabsenkung und Hochwasser14
verschärfung), von ingenieurtechnischen Lösungsvorschlägen (Sohlenpanzerung
und Schwellenbau im Gerinne, Verstärkung der Dämme) geprägt (siehe
beispielsweise GRAEWE (1975), DIETZ/ PULINA (1975)). Die Auswirkungen der
Baumaßnahmen auf die hydrogeographischen Verhältnisse des Rheins waren zwar
grundsätzlich bekannt, detaillierte wissenschaftliche Untersuchungen des
Geoökosystems des Rheins, der Inundationsdynamik in den Rheinauen oder der
Dokumentation des Istzustands der hydrologischen und biotischen Verhältnisse
liegen aus dieser Zeit nicht vor.
Erst in den 1970er Jahren erlangte die Erforschung von geoökosystemaren
Zusammenhängen in den Rheinauen an Bedeutung. Besonders die Publikationen
SCHÄFERS zeugen vom einem Wandel der wissenschaftlichen Blickrichtung und
waren eng mit seiner politischen Forderung nach einer Renaturierung der Altauen
verbunden (Vgl. z.B. SCHÄFER 1973, 1976, 1978). Ebenfalls zu Anfang der 1970er
Jahre erschienen MUSALLs Studien zum Wandel der Kulturlandschaft der Rheinaue
(siehe MUSALL 1969 und 1971).
Die Gefahr der Hochwasserverschärfung durch den Oberrheinausbau hatte sich
bereits frühzeitig abgezeichnet (Vgl. VIESER (1973) und (1985)) und führte 1968 zur
Gründung der Hochwasserstudienkommission (HSK). Der im Jahre 1978 vorgelegte
Abschlußbericht ist bis heute das grundlegende Werk zur Abflussdynamik des
Oberrheins (HSK (1978) und (1980)). Dabei lag der Schwerpunkt der Arbeit auf der
statistischen Auswertung verfügbarer Pegeldaten und der Berechnung des zu
erwartenden Ablaufs der Wasserstände und Abflüsse von Extremereignissen. Der
Abschlußbericht im Februar 1978 wies deutlich auf die Hochwassergefahren, welche
die Verkürzung des Rheinlaufs und der Verlust der meisten Überschwemmungsflächen nach sich zogen, hin (siehe hierzu auch KARRASCH 1988). Die Konsequenz
war die politische Forderung nach der Schaffung neuer Retentionsflächen. Nach den
negativen ökologischen Auswirkungen der Probeflutungen in den Poldern Altenheim
I und II entschloss sich das Land Baden- Württemberg 1988 das „Integrierte
Rheinprogramm“ (IRP) umzusetzen, das die Renaturierung der Rheinauen als
gleichberechtigtes Ziel neben eine Wiederherstellung des 200-jährigen Hochwasserschutzes stellte. Während bis dahin die Erforschung der Hydrologie des Oberrheins
überwiegend von, im mesoskaligen Bereich angesiedelten, Themen wie
großräumiger Hochwasserschutz, Vorhersage der Rheinabflüsse, Berechnung des
Grundwasserkreislaufs und Prognose der Entwicklung von Grundwasservorräten dominiert wurde, ist seit der Mitte der 1980er Jahre, zunächst noch im Rahmen von
Planfeststellungsverfahren, eine verstärkte angewandte Forschung zur Klärung
hydrologischer
und
geoökosystemarer
Zusammenhänge
in
kleineren
Gebietseinheiten zu verzeichnen (siehe die Veröffentlichungen der LFU im Rahmen
des IRP:
z.B. LFU (1990): Erfassung von Abflußhindernissen in der Rheinaue
zwischen Karlsruhe und der Landesgrenze bei Mannheim; LFU (1991): Flutungen
der Polder Altenheim I und II; LFU (1999): Auswirkung der ökologischen Flutungen
der Polder Altenheim. Ergebnisse des Untersuchungsprogramms 1993-1996)). In der
Landesanstalt für Umweltschutz Baden Würtemberg (LfU) befassen sich die
Abteilungen 41: Fließgewässer/ Integrierter Gewässerschutz und 43: Hydrologie/
Hochwasservorhersage seit den 1990er Jahren mit zahlreichen Studien zu diesem
Thema.
Mit der Thematik der Umweltverträglichkeit von Hochwasserschuntzmaßnahmen
bzw. Möglichkeiten der Auenrenaturierung befasst sich das WWF-Auen-Institut in
Rastatt unter der Leitung von DIESTER (siehe z.B. WWF (1989):
Umweltverträglichkeitsprüfung von Hochwasserschutzmaßnahmen im Raum
Breisach.
oder
WWF(1992):
Untersuchungen
über
ökologische
15
Entwicklungsmöglichkeiten der Rheinniederung im Bereich der Murgmündung durch
Erweiterung der Überflutungsflächen).
Zusammenfassend und vereinfachend gesagt existiert eine intensive Erforschung
des Geoökosystems von Flußauen überhaupt erst seit den 1970er Jahren. Bis in die
1980er Jahre lag der Schwerpunkt auf der Klärung geoökosystemarer
Wechselwirkungen innerhalb der Flußauen und dem Wandel der Kulturlandschaft.
Erst in den letzten 15 Jahren ist eine angewandte Erforschung der Hydrodynamik
einzelner Auenabschnitte zu beobachten. Bis heute ist die mikroskalige
Untersuchung der Flußauen dabei von biologischen Forschungsansätzen und
Methoden geprägt (siehe z.B. WEISER/ GLOWITZ (1990); SPANG (1994)). Neben
die qualitative Erforschung der Flußauen treten seit etwa 10 Jahren auf
Geographische Informationssysteme (GIS) gestützte, angewandte quantitative
Untersuchungen. Einhergehend mit der stetig wachsenden Leistungsfähigkeit von
Rechnern, Software (GIS) und der Verfügbarkeit von digitalen Raumdaten
(Höhenmodelle) wird derzeit in verschiedenen Projekten die Entwicklung komplexer
hydrodynamischer bzw. hydrogeographischer Modelle forciert.
In den letzten Jahren erfolgte in mehreren Projekten die Modellierung großräumiger
Überschwemmungsflächenprozesse auf der Grundlage hochaufgelöster digitaler
Geländehöhenmodelle (s.u.). Das Umweltministerium Baden-Württemberg plant
derzeit, die Vorhersagen der HVZ künftig nicht mehr auf Wasserstandsdaten zu
beschränken sondern auch in Form von Überschwemmungsflächenkarten
(Gefahrenkarten) zu verbreiten.
II.1.2. Stand der Forschung in der Überschwemmungsflächenprognose und
-vorhersage
Für die Wasserstandsvorhersage der Hochwasser-Vorhersage-Zentrale BadenWürttemberg (HVZ) wird am Oberrhein von Basel bis Worms ein synoptisches Modell
eingesetzt (siehe hierzu HOMAGK (1995), S. 35-48). Die Ergebnisse der
Vorhersagemodelle für die Zuflüsse (z.B. Kinzig, Neckar) gehen als Input ein. Das
Synoptische
Hochwasserablaufmodell
ist
ein
konzeptionelles
Speicherkaskadenmodell, bei dem die Parameter über hydraulische Berechnungen ermittelt
werden. Es benutzt als Input die Abfluss- und Wasserstandsdaten sowie die
Systemdaten des Gerinnes einschließlich der erforderlichen hydraulischen und
geometrischen Daten der Rückhaltemaßnahmen am Oberrhein (HOMAGK, LUDWIG
(1998), S.160). Die für die einzelnen amtlichen Messpegel berechneten
Wasserstandsvorhersagen sind u.a. telefonisch und über das Internet abrufbar.
Alle derzeit bestehenden Modelle, welche auf Basis von Wasserstandsdaten eine
Überschwemmungsflächenprognose/-vorhersage erstellen, benötigen hierzu eine
GIS-Komponente, welche ein digitales Geländemodell (DHM) des jeweils
betrachteten Flussabschnitts verwaltet.
Für das Neckareinzugsgebiet wurde in einem Pilotprojekt im Bereich der
Gewässerdirektion nördlicher Oberrhein (Kunzmann) zur Bewertung und
Verbesserung
des
vorhandenen
Hochwasserschutzes
am
Institut
für
Wasserwirtschaft und Kulturtechnik (Universität TH Karlsruhe) das hydrodynamischnumerische Modell IKoNE entwickelt. Es lassen sich sogenannte Gefahrenkarten,
d.h.
Karten
der
durch
Überschwemmungen
bedrohten
Flächen
für
Hochwasserereignisse verschiedener Jährlichkeiten berechnen (siehe OBERLE,
THEOBALD, NESTMANN (2000); IKoNE Heft 4 (2002)). Der Einsatz von IKoNE für
alle größeren Gewässer Baden-Württembergs ist grundsätzlich geplant.
16
Für ein Untersuchungsgebiet am Oberrhein wurde vom Ingenieurbüro LUDWIG ein
numerisches Modell zur Simulation von Dammbrüchen entwickelt, welches in den
nächsten Jahren in Baden-Württemberg zum Einsatz kommen wird. Allerdings sind
zuvor noch die notwendigen Datengrundlagen zu schaffen (hochaufgelöstes DHM).
Neben diesen Modellen sind in Deutschland in den letzten zwei Jahren weitere
Überschwemmungsflächenmodelle entwickelt worden bzw. zum Einsatz gekommen.
Beispielhaft wären zu nennen:
- ZÜRS ist ein Zonierungssystem für Überschwemmung, Rückstau und Starkregen
des Gesamtverbandes der Deutschen Versicherungswirtschaft (GdV). Wesentliche
Aufgabe des Systems ist die Visualiserung von Überschwemmungsszenarien. Die
GdV nutzt das System zur Erstellung von Zonen unterschiedlicher
Hochwassergefährdung. Die räumliche Auflösung ist im Straßen- und
Hausnummernbereich. Die Datengrundlage des Systems bilden Digitale
Geländemodelle (DHM 25, DHM50, DHM100), digitales Gewässernetz, Pegeldaten
(hydrologische Daten), Digitale Überschwemmungsgrenzen der Wasserwirtschaftsverwaltungen (soweit vorhanden), Digitales Straßennetz und Gebäudeinformationen
sowie versicherungstechnische Daten. (MÜLLER (2002)).
- Die Firmen Geomer/ Ingenieurgemeinschaft Ruiz-Rodriguez+Zeisler bieten mit der
Software FloodArea ein in ArcView (Desktop GIS) implementierbares System zur
Berechnung von Überschwemmungsbereichen aus vorgegebenen Wasserspiegellagen oder Abflussganglinien. FloodArea nutzt dabei das GRID-Datenmodell
von ArcView Spatial Analyst (JÄGER (2002)).
- FLORIAS („flood risk assessment system“) ist ein GIS-Modell-System zur
Abschätzung von Hochwasserrisiken, welches ein Abflussvorhersagemodell und ein
Modell zur Ausweisung von Überschwemmungsflächen auf der Grundlage eines GIS
koppelt. Über eine gemeinsame Oberfläche können Vorhersage- und
Szenarioberechnungen durchgeführt, sowie die berechneten Überschwemmungsflächen und ökonomischen Schadenspotentiale kartographisch und tabellarisch
visualisiert und analysiert werden (HERRMANN, S. TINZ, M. (2002)).
II.1.3. Stand der Forschung im Bereich der Druckwasserflächenprognose/vorhersage
Keines der soeben vorgestellten Überschwemmungsflächenmodelle berücksichtigt
die
Interaktion
zwischen
Flussund
Grundwasser
während
eines
Hochwasserereignisses. Die Existenz von Druckwasserflächen wird von diesen
Modellen weitgehend ignoriert. Seit dem Hochwasserereignis von 1999
(Rhein/Donau) ist die Problematik der Druckwasserflächen
bei den
Wasserwirtschaftsämtern jedoch deutlich in den Vordergrund getreten. Bekannt ist
die Existenz dieser Druckwasseraustritte, seit Menschen in der Rheinaue siedeln.
Bereits 1939 entwarf HOFMANN in seiner Dissertation ein einfaches schematisches
Querschnittsmodell zur Beschreibung der Entstehung von Druckwasserflächen in der
Rheinaue, das von SCHÄFER (1973 a, 1973b, 1976) übernommen und
weiterentwickelt wurde.
Wasserstandsänderungen im Fluss können sehr schnelle und weitreichende
Auswirkungen auf das Grundwasser haben (WEGNER, 1997). Hierbei breiten sich
jedoch vorwiegend Druckwellen im Untergrund aus, ohne dass nennenswerte
Wassermengen ausgetauscht werden. Die in Flußauen typischerweise
vorkommende große Wasserstandsdynamik führt auf der Ebene der Stoffverlagerung
17
zu sehr komplexen Ausbreitungsmustern, die ohne explizite Berücksichtigung der
Wasserstandsdynamik kaum zu interpretieren sind (WHITNING, 1997). Das
Hauptproblem bei der Simulation von Druckwasserflächen ist der Mangel an
hochaufgelösten Kartierungen des Untergrundes. Die Kenntnis der räumlichen
Verteilung von wasserleitenden und -hemmenden Sedimenten ist jedoch die
Voraussetzung zur Modellerstellung. Eine detailliertere Untersuchung von Fließ- und
Ausbreitungsprozessen kann nur auf Grundlage hinreichend aufgelöster
Tracerexperimente erfolgen (DEHNERT, 1998) bzw. setzt ein dichtes Netz von
Grundwassermesspegeln und Bodensondierungen voraus. Der Aufwand zu
Erhebung derartiger Daten ist beträchtlich und wurde bisher lediglich für kleinere
Auegebiete im Rahmen von Retentionsflächenuntersuchungen vorgenommen (z.B.
an der Elbe bei Lenzen (siehe HOLFELDER (1999)) und bei verschiedenen
Polderflächenuntersuchungen am Oberrhein).
Es ist zu konstatieren, dass der tatsächliche Austausch zwischen Fluss- und
Grundwasser einen dynamischen Prozess darstellt, welcher sich in einem deduktiven
Modell höchstens ansatzweise und nur unter in der Praxis für größere Flächen nicht
finanzierbarem Aufwand darstellen lässt. Da sich mit den bisherigen deduktiven
Modellansätzen die Dynamik von Druckwasserflächen für größere Untersuchungsgebiete de facto nicht beschreiben lässt, wurde für die vorliegende Arbeit ein
induktiver Modellansatz gewählt (s.u.).
II. 2. Methoden der Inundationsflächenerfassung
Für die Bedürfnisse der Raumplanung, der Renaturierung von Flußauen oder der
Erstellung von praxistauglichen Inundationsflächenmodellen sind Referenzdaten
über das Ausmaß tatsächlich abgelaufener Hochwasserereignisse unerlässlich. Dies
gilt umso mehr, wenn wie in der vorliegenden Arbeit ein induktiver Schwerpunkt bei
der Modellierung von Inundationsflächen gewählt wird. Bis heute wird das räumliche
Ausmaß von Überschwemmungen in der Regel jedoch weder von Kommunen,
Wasserwirtschaftsämtern noch von sonstigen Behörden dokumentiert. Für das
Untersuchungsgebiet lagen beispielsweise zu Beginn dieses Forschungsprojektes
noch keine empirisch gewonnenen wasserstandsabhängigen Überschwemmungsflächenkartierungen vor. Doch nicht etwa mangelndes Interesse an derartigen
Informationen ist als Ursache für den akuten Mangel an Inundationsflächendaten zu
sehen, sondern vielmehr die Schwierigkeit, welche sich bei der Erfassung der
hochdynamischen – sich zeitlich und räumlich rasch wandelnden –
Überschwemmungsflächen ergeben. Ein Ansteigen oder Absinken des Rheins um
wenige Dezimeter kann das Ausmaß der überschwemmten Flächen im
Untersuchungsgebiet der vorliegenden Arbeit um Hunderte von ha verändern.
Bereits die Erhebung homogener Inundationsflächendaten – d.h. die räumlich
exakte Dokumentation aller Überschwemmungen zu einem bestimmten Zeitpunkt stellt daher ein erhebliches methodisches bzw. organisatorisches Problem dar.
So verwundert es nicht, dass die Luftbilder und Inundationsflächenkarten, welche im
Rahmen dieser Arbeit vom Frühsommerhochwasser des Rheins 1999 angefertigt
wurden, derzeit die einzigen verfügbaren Dokumente zu diesem Ereignis sind und
mittlerweile den Baden-Württembergischen Wasserwirtschaftsbehörden (Oberrheindirektion Karlsruhe) als Planungsunterlagen dienen. Eine wesentliche Aufgabe der
vorliegenden Arbeit bestand angesichts dieses Mangels an empirisch ermittelten
18
Inundationsflächendaten darin, geeignete Methoden der Überschwemmungsflächenerfassung zu erproben bzw. zu entwickeln.
Im Abschnitt II.2.1. wird zunächst ein Überblick über die gegenwärtig in der Praxis
angewandten Methoden gegeben. In Abschnitt II.2.2. wird kurz der Einsatz von
Satellitenbilddaten zur Inundationflächenkartierung diskutiert, bevor schließlich in
Abschnitt II.2.3. die im Rahmen der vorliegenden Arbeit angewandten Erfassungsmethoden vorgestellt werden.
II.2.1. Überblick über die gängigen Methoden der
Inundationsflächenbestimmung
In der behördlichen Praxis und der anwendungsorientierten Forschung befassen sich
eine Reihe von Organisationen und Institutionen mit der Kartierung bzw. der
Abschätzung
des
Ausmaßes
und
der
räumlichen
Lage
von
Überschwemmungsflächen. Neben den amtlichen, von den Wasserwirtschaftsbehörden durchgeführten Überschwemmungsflächenausweisungen sind hier vor
allem die Inundationsflächenkartierungen der KABS 2 (biologische Stechmückenbekämpfung) zu nennen. Regionalplaner haben vorrangig im Rahmen der Erstellung
von Flächennutzungsplänen ein Interesse an Inundationsflächendaten, in der Regel
aber nicht die Mittel, um eigenständige Studien in Auftrag zu geben.
II.2.1.1.
Überschwemmungsflächenkartierungen
im
Rahmen
der
biologischen
Stechmückenbekämpfung (KABS-Atlanten)
Die umfangreichsten Kartierungen der Überschwemmungsflächen in der Rheinaue
wurden von der KABS im Rahmen der biologischen Stechmückenbekämpfung seit
der zweiten Hälfte der 1970er Jahre vorgenommen.
Die Ergebnisse der
Kartierungen sind in unveröffentlichten Atlanten dargestellt (KABS 1996). Im Jahre
1996 hat die KABS begonnen, die Atlantendaten in ein GIS zu implementieren, die
Arbeiten sind mittlerweile (2002) nahezu abgeschlossen. Ziel der Kartierungsarbeiten
ist die Erfassung aller Stechmückenbrutplätze im Gebiet der Mitgliedskommunen. Die
Karten dienen zum einen gegenüber den Regierungspräsidien und anderen
Behörden zur Dokumentation der im Rahmen der Stechmückenbekämpfung
notwendigerweise durch Mitarbeiter der KABS zu betretenden Auen- und
Naturschutzgebiete,
zum
anderen
sind
sie
für
die
Planung,
die
Informationsübermittlung und Abrechnung der sommerlichen Bekämpfungsmaßnahmen ein unerlässliches Hilfsmittel.
Die Karten der KABS basieren auf Geländebegehungen der Kommunalbetreuer
während der sommerlichen Hochwasserereignisse und Kartierungen von
Vegetationsindikatoren. Trotz ihres Detailreichtums sind sie für die dieser Arbeit
zugrundeliegende Aufgabenstellung nicht hinreichend exakt, da sie zur Idetifizierung
von Stechmückenbrutplätzen und nicht aber für eine wasserstandsabhängige
Inundationsflächenkartierung erstellt wurden:
-
2
Den Geländebegehungen liegt kein einheitliches Bemessungshochwasser
zugrunde, sondern sie entstanden zumeist aufgrund von Beobachtungen der
Mitarbeiter im Außendienst während der zahlreichen Hochwasserereignisse. Es
KABS: Kommunale Aktionsgemeinschaft zur Bekämpfung von Stechmückenplagen
19
lassen sich deshalb anhand dieser Karten leider keine exakten Aussagen treffen,
welche Flächen bei einem bestimmten Wasserstand überschwemmt werden.
-
Ferner wurden von der KABS die Rheinaueflächen ihrer Mitgliedskommunen vor
allem mit Hilfe floristischer Indikatoren in mehrere Überschwemmungszonen
unterteilt. Die verwendeten Methoden machen sich die jeweils unterschiedliche
Sensibilität verschiedener Pflanzen- und Tierarten gegenüber Überschwemmungen zunutze. Ihr Vorteil besteht in erster Linie darin, dass auch zu Zeiten von
Niedrigwasserständen Aussagen über die ungefähre Häufigkeit und Andauer von
Überschwemmungen einer bestimmten Fläche getroffen werden können 3.
So kommt beispielsweise die Wassersumpfkresse (Rorippa amphibia) als
Pionierpflanze in der Zone der offenen Schlicke vor. Diese Zone kann bis zu 300
Tage im Jahr überschwemmt sein. Die Schilfzone markiert den Bereich des
oberen Mittelwassers, die im Mittel immerhin noch etwa ein halbes Jahr
überschwemmt ist. Die Zone des Weichholz-Auenwaldes liegt im Bereich des
oberen Hochwassers und ist im Mittel nur noch an 10 Tagen im Jahr
überschwemmt (BECKER/ GLASER/ MAGIN (1996); S.82).
Diese Methode ist gut für die Identifikation von Stechmückenbrutplätzen geeignet.
Da Häufigkeit und Dauer der Überschwemmungen aber nicht die einzigen
Faktoren sind, welche den Standort bestimmter Pflanzenformationen
beeinflussen, ist die genaue Zuordnung von Ausmaß und Anzahl der tatsächlich
gefluteten Flächen zu einem definierten Hochwasserstand auf diesem Wege nicht
möglich. Ferner ist die Geländearbeit abhängig vom Vegetationsstadium der Flora
und arbeits-, zeit- und kostenintensiv, da die Kartierung vor Ort einen hohen
Qualifikationsgrad des Personals bezüglich botanischer und biologischer
Kenntnisse voraussetzt. Auch an der LfU Baden-Württemberg wurden im
Rahmen des IRP zahlreiche Untersuchungen zu den Überschwemmungsflächen
in den Rheinauen anhand floristischer und faunistischer Indikatoren
vorgenommen 4.
Die Erhebungen der KABS wurden in der Regel in der TK25 5 festgehalten, und
stoßen deshalb rasch an die Grenzen der Darstellbarkeit von kleineren gefluteten
Flächen.
Zusammenfassend betrachtet ist zu konstatieren, dass die Methode der
Inundationsflächenbestimmung über Vegetationsindikatoren zwar für die
Identifizierung von Stechmückenbrutplätze gut geeignet, für die Aufgabenstellung der
vorliegenden Dissertation jedoch nicht brauchbar ist. Als Grundlage zur exakten
Bestimmung
des
tatsächlichen
Überschwemmungsausmaßes
definierter
Wasserstände sind Vegetationsindikatoren geeignet.
3
Zu floristischen Indikatoren zur Abgrenzung von Überschwemmungsflächen siehe KABS Atlanten
sowie HUMBERG (1988); zu faunistischen Indikatoren zur Abgrenzung auetypischer Standorte siehe
SPANG (1994).
4
Siehe z.B. LFU (1999)
5
Die Ergebniskarten haben den Maßstab 1:10 000, basieren aber auf der TK25
20
II.2.1.2. Ausweisung von Überschwemmungsgebieten im Rahmen der bundesdeutschen Raumund Landesplanung und der Wasserhaushaltsgesetze
Ein weiterer Anwendungsbereich für Inundationsflächenkartierungen ist die
behördliche Ausweisung von Überschemmungsgebieten. Das politische Ziel einer
vorausschauenden Hochwasservorsorge findet in zahlreichen Normen zur Raumund Landesplanung sowie dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) seinen Niederschlag.
Neben dem rein technischen Hochwasserschutz kommt der Erhaltung und Förderung
natürlicher
Überflutungsflächen eine besondere Bedeutung zu. Wichtigstes
Instrument der Flächenvorsorge ist der §32 WHG, der den jeweiligen
Wasserwirtschaftsverwaltungen
und
Landkreisen
die
Ausweisung
von
Überschwemmungsgebieten auferlegt. Allerdings orientiert sich die Ausweisung von
gesetzlichen
Überschwemmungsflächen
nicht
ausschließlich
an
hydrogeographischen Erkenntnissen:
Da die Ausweisung einer Fläche als Überschwemmungsgebiet rechtliche
Konsequenzen (vorrangig in Bezug auf die Nutzungsrechte) nach sich zieht, handelt
es sich vielmehr um einen behördlichen
Abwägungsprozess zwischen
verschiedenen gesellschaftlichen Interessen. Dennoch ist der erste Schritt in diesem
Prozess die Ermittlung der tatsächlichen räumlichen Ausdehnung definierter
Wasserstände. Das behördliche Feststellungsverfahren sowie die Rechtswirkung von
Feststellungen sind hier nicht näher zu betrachten. Vielmehr ist für die vorliegende
Arbeit von Interesse, mit Hilfe welcher Verfahren die jeweiligen Behörden
Überschwemmungsgebiete identifizieren.
Methodik und Vorgehensweise bei der fachlichen Abgrenzung von
Überschwemmungsflächen sind Ländersache und werden in der Regel in Form von
Verordnungen in den jeweiligen Bundesländern festgelegt. Die Ausweisungsziele
und Festlegungsvorgaben der einzelnen Länder weichen z.T. erheblich voneinander
ab. Im folgenden wird deshalb in II.2.1.2.1. eine kurze Übersicht über die
Unterschiede in der Methodik bei der Überschwemmungsgebietsausweisung der
einzelnen Bundesländer gegeben. Da die Ausweisungsmethoden im Bereich des
Untersuchungsgebietes am Oberrhein von besonderem Interesse sind, wird unter
II.2.1.2.2. nochmals genauer auf die Methoden der Oberrheinanlieger BadenWürttemberg und Rheinland-Pfalz eingegangen. Die Ausführungen stützen sich in
erster Linie auf eine unveröffentlichten Studie des Ministeriums für Umwelt und
Verkehr (Baden-Württemberg) vom November 1997 (MINISTERIUM FÜR UMWELT
UND VERKEHR BADEN-WÜRTTEMBERG 1997).
II.2.1.2.1 Überblick über die Methodik der Überschwemmungsflächenausweisung in den
Bundesländern
Da im WHG keine hinreichend genaue Definition von „Überschwemmungsflächen“
erfolgt, ergeben sich Unterschiede zwischen Untersuchungsverfahren der Länder
bereits bei der Wahl des Bemessungshochwassers. Es kann ein historisches
Ereignis oder ein synthetisch mit hydrologischen und hydraulischen Verfahren
ermitteltes bzw. berechnetes Hochwasserereignis darstellen. Häufig wird das
statistisch ermittelte HQ100 als Ausweisungsgrundlage angesetzt (z.B. Hessen,
Thüringen, Schleswig-Holstein), aber auch die Verwendung historischer Ereignisse
(in Bayern, Rheinland-Pfalz, Sachsen-Anhalt wird z.B. das höchste bekannte
Hochwasser herangezogen) oder von Hochwasserereignissen mit kleineren oder
größeren Wahrscheinlichkeiten ist verbreitet (MINISTERIUM FÜR UMWELT UND
VERKEHR BADEN-WÜRTTEMBERG 1997, S. 53).
21
Auch die verwendeten Kartengrundlagen sind nicht einheitlich. In der Regel werden
aber als Arbeitskarten die DGK5 oder Höhenflurkarten im Maßstab 1:2.500 oder
größer verwendet. Großräumige Betrachtungen erfolgen auf Grundlage der TK25
oder einer TK im Maßstab 1:10.000. Verzeichnisse mit Flurstücken, welche von der
Ausweisung eines Überschwemmungsgebietes betroffen sind, erfolgen auf
Grundlage von Liegenschaftskarten im Maßstab 1:1.500. In einigen Fällen geschieht
dies schon auf der Grundlage digitaler Liegenschaftskarten (Hessen).
Doch zurück zur Ermittlung der Bemessungshochwasser:
Für
die
Bestimmung
der
Überschwemmungslinie
des
jeweiligen
Bemessungshochwassers kommen also im wesentlichen zwei Verfahren zur
Anwendung: a) Die Kartierung und Beschreibung historischer Hochwasserereignisse
und b) die Ermittlung der Überflutungsbereiche im deduktiven Modell anhand
synthetischer Bemessungshochwasser.
zu a) Kartierung und Beschreibung historischer Hochwasserereignisse:
Für die Ausweisung von Überschwemmungsgebieten anhand historischer
Hochwasserereignisse werden alle Informationen zusammengetragen, welche
bereits abgelaufene Hochwasserereignisse in ihrem Verlauf und Ausmaß
dokumentieren. Dazu gehören insbesondere:
?? Hochwassermarken
?? bekannte Wasserstände
?? Ausuferungslinien, Geschwemmsellinien, Fließspuren
?? Begehung des Gebietes
?? Befragung ortskundiger Personen
?? Luftbildaufnahmen des abgelaufenen Hochwassers
In einigen Bundesländern werden zusätzlich zu den Beobachtungen und
Aufnahmen abgelaufener Hochwasser mittels einfacher hydraulischer Verfahren
ergänzende Wasserspiegellageberechnungen durchgeführt und/oder auf seltenere
Ereignisse extrapoliert (z.B. HQ 200 in Rheinland-Pfalz).
zu
b)
Ermittlung
der
Überflutungsbereiche
anhand
synthetischer
Bemessungshochwasser:
Mittels hydrologischer Modelle werden die Scheitelabflüsse der Bemessungshochwasser bestimmt und über hydraulische Berechnungsverfahren in
Wasserspiegellinien umgesetzt. Anhand von Kartengrundlagen, Querschnitten
oder digitalen Geländemodelle wird die Wasserspiegellage dann mit dem
Geländemodell verschnitten und der Grenzverlauf der entsprechenden
Hochwasserlinie bestimmt.
II.2.1.2.2. Überschwemmungsflächenausweisungen in Baden-Württemberg und Rheinland-Pfalz
Das (in Abschnitt III.: Das Untersuchungsgebiet noch näher vorgestellte)
Untersuchungsgebiet der vorliegenden Arbeit liegt in den beiden Bundesländern
Baden-Württemberg
und
Rheinland
Pfalz.
Die
Bestimmungen
zur
Überschwemmungsflächenausweisung in den beiden Ländern soll deshalb kurz
etwas eingehender betrachtet werden:
Aufgrund der "Verwaltungsvorschrift des Umweltministeriums zur Einführung des
Verordnungsmusters für Überschwemmungsgebiete" vom 8. Februar 1990 haben die
22
jeweiligen Wasserwirtschaftsämter bzw. die Gewässerdirektionen in BadenWürttemberg die Herstellung von Überschwemmungsgebietskarten zu veranlassen.
Die Abgrenzung der Überschwemmungsflächen bezieht sich auf bereits abgelaufene
Hochwasser mit einer Jährlichkeit von 50 bis 100. Die Unterlagen, anhand derer die
Wasserstände
dieser
Hochwasserlinien
vorgenommen
werden,
sind
Geschwemmsellinien der bedeutendsten Hochwasser der letzten Jahre,
Befragungen vor Ort, vermessungstechnische Aufnahmen im Gebiet, eine Begehung
des Gebietes sowie die Auswertung von während eines Hochwasserereignisses
erstellten Luftbildaufnahmen (MINISTERIUM FÜR UMWELT UND VERKEHR
BADEN-WÜRTTEMBERG 1997; S. 27). Sind Geschwemmsellinien von
Hochwasserereignissen größerer Jährlichkeit vorhanden, so sind diese als
Grundlage zu nehmen. Sind nur Hochwasserereignisse kleinerer Jährlichkeit
vorhanden, so ist mittels hydrologischer und hydraulischer Berechnungen das
Überschwemmungsgebiet abzugrenzen. Die Darstellung der Überschwemmungsgebiete erfolgt als Übersichtsplan in der TK 25. Eine detaillierte Darstellung hat auf
Grundlage von Flurkarten im Maßstab 1:2.500 oder 1:1.500 (mit Flurstücksnummern)
zu erfolgen.
In Rheinland-Pfalz ist die fachliche Grundlage für die Ausweisung von
Überschwemmungsgebieten das "Verordnungsmuster zur Feststellung von
Überschwemmungsgebieten" vom 31. Januar 1991. Das Staatliche Amt für Wasserund Abfallwirtschaft grenzt die Überschwemmungsflächen anhand von bereits
vorhandenen Unterlagen (Methodik wie in Baden Württemberg: Geschwemmsellinien, Luftbildern, – s.o.) über bereits abgelaufene Hochwasser ab.
Bemessungsgrundlage ist in Rheinland-Pfalz im Unterschied zu Baden-Württemberg
zunächst das größte durch Aufzeichnungen belegte Hochwasser, mindestens jedoch
ein Bemessungsereignis mit einer Jährlichkeit von 50 bis 100 Jahren. Wurden nur
Ereignisse geringerer Jährlichkeiten beobachtet, wird über vereinfachte
Wasserspiegelberechnungen extrapoliert. Darüber hinaus werden auch die
Überflutungsgrenzen für das HQ100 und das HQ200 bestimmt. Die Darstellung der
Grenzen der Überschwemmungsgebiete erfolgt in der DGK5 (MINISTERIUM FÜR
UMWELT UND VERKEHR BADEN-WÜRTTEMBERG 1997; S. 37f).
Einen Überblick über die am nördlichen Oberrhein angewandten Methoden der
Inundationsflächenerfassung geben Tab.1. und Tab.2..
II.2.2. Einsatz von Satellitenbilddaten zur Inundationsflächenerfassung
Zur Erfassung von Inundationsflächen bietet sich der Einsatz von Satellitenbilddaten
zunächst scheinbar an. Seit Jahren werden in einer Vielzahl von
Forschungsprojekten Satellitenbilddaten zur Bestimmung von Überschwemmungsflächen eingesetzt. Eine Reihe von kommerziellen Anbietern hat Software zur
automatisierten
oder
zumindest
teilautomatisierten
Identifizierung
von
Inundationsflächen auf der Basis von Satellitenbilddaten entwickelt. Dies gilt
insbesondere für Radardaten (z.B. SARMap und GAMMA6) . Satellitenbildbasierte
6
Die Firma SARMap bietet mit SARScape ein modulares Softwaretool an, mit dem auf einfacher Basis Radar - Szenen
ausgewertet und somit Überflutungen kartiert werden können. Die ganze Software lässt sich in ArcView (Desktop GIS)
implementieren. Eine volle ERS Radarszene (100 x 100 km) kann in weniger als einer Stunde verarbeitet werden.
Unterstützte Satelliten: ERS, Radarsat-1, und JERS-1. (http://www.sarmap.ch ). Die Firma GAMMA prozessiert Radardaten,
welche für Hochwassermonitoring geeignet sind. (http://www.gamma-rs.ch). Für einen guten Überblick über aktuelle
23
Systeme sind allerdings weniger für Detailkartierungen, sondern lediglich zur
Erstellung kleinmassstäblicher Übersichtskarten geeignet (siehe z.B. Abb. 1. und
Abb. 2.). Die gegenwärtigen Preise für räumlich hoch aufgelöste Satellitenbilddaten
sind noch zu hoch, um eine Verwendung auf operationeller Basis zuzulassen (siehe
Abb. 3.). Da Hochwasserereignisse häufig mit einer dichten Bewölkung einhergehen
können optische Satellitenbildsysteme oftmals keine Daten von den
Inundationsprozessen liefern. Zudem liegen für die meisten Hochwasserereignisse
des zwanzigsten Jahrhunderts kaum auswertbare Datensätze vor - bzw. der Arbeitsund Kostenaufwand für ihre Beschaffung und Auswertung steht in keinem Verhältnis
zu ihrer (im Vergleich zu Luftbilddaten) geringen räumlichen und zeitlichen
Auflösung. Satellitenbilddaten stellen für Hochwasseruntersuchungen, wie sie in der
vorliegenden Arbeit vorgenommen wurden, gegenwärtig noch keine Hilfe dar. Zur
Bestimmung der Inundationsflächen waren herkömmliche panchromatische SWLuftbilder besser geeignet. Dies ist insofern bemerkenswert, als das
satellitengestützten Verfahren im Vergleich zum klassischen Luftbildauswertung in
der Forschung eine wesentlich größere Aufmerksamkeit entgegengebracht wird.
II.2.3. Im Rahmen des Promotionsprojekts angewandte Methoden der
Inundationsflächenerfassung
Datenrecherche und Behördenbesuche ergaben recht bald, dass die für die
Fragestellung der vorliegenden Arbeit benötigten Inundationsflächendaten bisher
noch nicht erhoben wurden. Weder die KABS noch die zuständigen Behörden
verfügten zu Beginn des Promotionsprojekts im Jahre 1999 über entsprechende
Inundationsflächenkartierungen oder -modelle. Bereits zu Beginn des Projekts stand
deshalb fest, dass die Entwicklung und Erprobung von geeigneten Methoden der
Inundationsflächenerfassung neben der eigentlichen Datenerfassung den zeit- und
arbeitsaufwendigsten Teil des Promotionsprojekts ausmachen würde. Bei den
angewandten Methoden ist grob zu unterscheiden zwischen Erhebungsmethoden im
Gelände (Kartierungen bei Geländebegehungen; Wasserstandsmessungen;
Substratuntersuchungen), Fernerkundlichen Methoden und der GIS-gestützten
Analyse historischer Karten. Zur letzten Methode ist zu sagen, dass sie erstmals bei
der Ermittlung von rezenten Inundationsflächen eingesetzt wurde und sich
insbesondere für die Ermittlung von druckwassergefährdeten Arealen als tauglich
erwiesen hat.
II.2.3.1. Erhebungsmethoden im Gelände
II.2.3.1.1.
Inundationsflächenkartierungen
durch
Geländebegehungen
während eines Hochwasserereignisses
Die terrestrische Datenaufnahme anhand von Geländebegehungen zum Zeitpunkt
der Hochwasserereignisse erlaubt unter Verwendung geeigneter Kartengrundlagen
(DGK5) eine differenzierte Erfassung der Überschwemmungsflächen. Während
fernerkundliche Methoden nur bei geeigneten Rahmenbedingungen (geringe
Bewölkung, keine Vegetationsabdeckung der Inundationsflächen) angewandt werden
Forschungsprojekte und Produkte im Bereich der fernerkundlichen Inundationsflächenerkennung siehe WUNDERLE,
OESCH (2001).
24
können, ist eine Geländebegehung und -kartierung das einfachste, aber auch
zuverlässigte empirische Erhebungsverfahren. Letztlich ist es die einzige Methode,
die absolute Gewissheit darüber bringt, ob und wann eine potentielle
Inundationsfläche auch tatsächlich überflutet wird. Die systematische Kartierung der
Überschwemmungsflächen erfordert je nach geforderter zeitlicher Auflösung der
Daten regelmäßige (in aller Regel tägliche) Kontrollgänge im Gelände, um den
Wasserstandsrückgang in den gefluteten Flächen zu dokumentieren. Trotz dieser
Vorteile kommt diese Methode in der Praxis aufgrund des intensiven Zeit- und
Personalaufwandes kaum zur Anwendung: Eine qualitativ hochwertige terrestrische
Kartierung lässt sich nur mit einem kurzfristig verfügbaren, mit dem
Untersuchungsgelände vertrauten und nach einem einheitlichen Kartierverfahren
arbeitendem und entsprechend geschultem Team durchführen. In der Praxis und
außerhalb des universitären Betriebes übersteigen die Personalkosten für derartig
qualifizierte Mitarbeiter deutlich die Kosten der weiter unten noch vorgestellten
fernerkundlichen Methoden.
Bei den am Geographischen Institut der Universität Heidelberg im Rahmen von
Geländepraktika durchgeführten Überschwemmungsflächenkartierungen zeigte sich,
dass den Studenten vor allem das Abschätzen der Größe der
Überschwemmungsflächen Schwierigkeiten bereitete. Intensive Schulungen vor Ort
sind deshalb nötig, um falsche bzw. uneinheitliche Flächenabschätzungen zu
vermeiden.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden von Januar bis Dezember 1997 sowie
von April 1999 bis Sommer 2000
die Überschwemmungsflächen aller im
Untersuchungsgelände abgelaufenen Hochwasserereignisse dokumentiert, in ein
GIS implementiert und ausgewertet. Die Datenaufnahme erstreckte sich insgesamt
über etwa 90 Geländetage und war mehrmals mit Übernachtungen im
Versuchsgelände verbunden.
Im folgenden sei kurz die Vorgehensweise, wie sie bei verschiedenen
Geländepraktika
im Rahmen des Promotionsprojektes mit Hilfe von
Geographiestudenten der Universität Heidelberg durchgeführt wurden, skizziert:
a) Vorbereitungen
Da aus Gründen der Datenhomogenität zwischen Beginn und Abschluss der
einzelnen Erhebungen nicht allzu viel Zeit (bzw. Veränderungen innerhalb der
betrachteten
Inundationsflächen) verstreichen durfte, war vor Beginn der
eigentlichen Datenerhebung eine Reihe von Vorbereitungen notwendig:
?? Informationssammlung
Die Sammlung von Informationen über die Überschwemmungsdynamik im
Untersuchungsgebiet umfasste im wesentlichen Literaturrecherchen, die unten
noch zu erläuternde Auswertung historischer Rheinstromkarten und den Besuch
von Forschungseinrichtungen, welche sich mit den Rheinauen befassen.
Informationen über aktuelle und z.T. unveröffentlichte Forschungsprojekte in den
Rheinauen
konnten über die LFU in Karlsruhe (z.B. REG KA (1991),
OBERRHEINAGENTUR (1996), das Auen - Institut des WWF in Rastatt (z.B.
WWW-AUEN-INSTITUT (1992)), sowie die Wasserwirtschaftsämter Mannheim
und Speyer und nicht zuletzt die KABS in Waldsee gewonnen werden. Die
ökologischen Feinkartierungen der KABS erwiesen sich bei den Kartierungen im
Gelände als das wertvollste Hilfswerkzeug.
25
?? Erstellen der Kartengrundlage
Von der Generalisierung der zugrunde liegenden Kartengrundlage hängt die
Genauigkeit der späteren Inundationsflächenkarten ab. Bei den Untersuchungen
im Untersuchungsgebiet diente die DGK5 als Arbeitsgrundlage. Genauere Karten
waren von den zuständigen Behörden nicht flächendeckend zu erhalten bzw.
verfügten nicht über Höhenangaben. Für eine Verwendung der DGK5 spricht
auch, dass sie für den gesamten Oberrhein vorliegt und künftige
Inundationsflächenkartierungen an diese Arbeit anschließen können. Von Nachteil
ist dagegen die geringe Aktualität der DGK5. Für die Inundationsflächenkartierungen ist aber vor allem eine genaue Wiedergabe des Reliefs von
Bedeutung, weshalb mangelnde Aktualität in der Darstellung von Straßen,
Siedlungs- und Vegetationsflächen weniger ins Gewicht fällt. Für die Arbeiten im
Gelände erwies es sich als günstig, die Blätter der DGK5 um 70% auf ein DIN A 3
Format zu verkleinern und nach Abschluss der Geländearbeiten umzuzeichnen.
?? Geländeerkundung
Vor Beginn der eigentlichen Datenerhebung muss sich der Kartierer mit dem
Untersuchungsgelände bereits vertraut machen, um bei Hochwasser die
Datenerhebung zügig durchführen zu können. Es empfiehlt sich, eine erste
Begehung des Geländes im Winter vorzunehmen, wenn die üppige
Auenwaldvegetation noch nicht die Sicht versperrt. Ist man bis zum Einsetzen der
Vegetationsperiode noch nicht mit der Gestalt des Reliefs und der potentiellen
Überschwemmungsflächen vertraut, besteht die Gefahr, dass bei sommerlichen
Hochwasserereignissen Wasserflächen im dichten Pflanzenbewuchs übersehen
werden. Besonders die Brennnesseln erschweren in den späten Sommermonaten
mit Wuchshöhen von bis zu 2 m die Sicht und behindern die Arbeiten ganz
erheblich.
Ferner empfiehlt es sich, das Untersuchungsgebiet bei niedrigen
Rheinwasserständen kennenzulernen, um abschätzen zu können, wie groß die
Inundationen überhaupt sind. Die besten Anfahrtswege zu den potentiellen
Überschwemmungsflächen sind ebenfalls in aller Ruhe zu erkunden. Zahlreiche
Wege sind in den Rheinauen für den Autoverkehr gesperrt, was zeitaufwendige
Umwege mit dem Pkw bzw. lange zu Fuß zu bewältigende Strecken zur Folge
hat. Für die Kartierungen hat sich das Fahrrad als optimales Fortbewegungsmittel
in den Rheinauen bewährt.
b) Datenerhebung
Der Wasserstand des Rheines kann innerhalb weniger Tage um mehrere Meter
ansteigen und wieder absinken (s.u.) – die Überschwemmungen im
Untersuchungsgebiet zeitgleich für einen definierten Wasserstand durch
Geländebegehungen zu erfassen, gestaltet sich angesichts derartig rascher
Wasserstandsänderungen als äußerst problematisch. Das angestrebte Ziel der
Geländearbeiten ist es aber, synchrone Daten über das zu einem bestimmten
Pegelstand zugehörige Überschwemmungsausmaß zu erhalten. Angesichts der
geringen Geschwindigkeit, mit der eine Geländekartierung überhaupt durchgeführt
werden kann, ist es unmöglich, mit dieser Methode eine völlig homogene Datenbasis
zu gewinnen. Da der Rhein bei Hochwasser wesentlich rascher ansteigt, als er
anschließend absinkt (s.u.), ist es je nach dem Ziel der Kartierung oftmals sinnvoll,
mit den Kartierungsarbeiten erst zu beginnen, wenn der Wasserstand seinen
Höchstwert erreicht hat. Anhand der telefonischen Ansagen des Pegels Speyer ließ
26
sich der Zeitpunkt des zu erwartenden Höchststandes sehr gut abschätzen7.
Kartierungen sind immer stromabwärts durchzuführen.
c) Aufbereitung und Auswertung der Daten
Nach dem Abschluss der Datenaufnahme werden die Ergebnisse der
Geländekartierung in eine unbeschmutzte Karte übertragen und über ein
Digitalisiertablett als Vektordateien ins GIS implementiert. Datum, Uhrzeit sowie der
Wasserstand des nächst gelegenen amtlichen Messpegels zum Zeitpunkt der
Erhebung müssen in jedes Kartenblatt eingetragen werden. Zuordnung,
Nummerierung und Archivierung der Daten sind selbstverständliche Schritte, die
keiner weiteren Erläuterung bedürfen. Anhand der archivierten Daten werden die
Inundationsflächenkarten erstellt. Es können nun im GIS Karten dargestellt und für
weitere Analysen herangezogen werden, die den Maximalwasserstand mehrerer
Hochwasserwellen dokumentieren oder den Verlauf eines einzigen Hochwassers.
II.2.3.1.2. Wasserstandsmessungen
Die Messung der Wasserstandsänderungen in den einzelnen Inundationsflächen
während eines Hochwasserereignisses war die zweite, auf Geländearbeiten
beruhende Methode zur Erfassung der Inundationsdynamik. Anhand von Luftbildern,
Gesprächen mit ortskundigen Personen (KABS-Mitarbeitern) und Beobachtungen,
die während der ersten Kartierungen im Gelände gemacht werden konnten, wurde
Anfang 1999 ein Netz von einfachen Messpegeln im Untersuchungsgebiet errichtet.
Zumeist handelte es sich um Holzlatten von 2,5 m Länge, die ca. 50 cm tief in den
Boden getrieben wurden. In etwa 1,60 cm Höhe über dem Boden wurde auf den
Meßlatten ein Nullpunkt markiert und von diesem aus täglich der Wasserstand
abgelesen. Da eine Messgenauigkeit von +/- 0,3cm für die Zwecke des Projekts
genügte, war diese einfache Art der Wasserstandsmessung ausreichend. Die
absolute Höhe wurde mit Hilfe eines optischen Nivelement-Meßgerätes bestimmt.
Die Wasserstandsmessungen verfolgten zwei Ziele:
Zum einen dienten die Daten der Verifizierung des Inundationsflächenmodells, da
Messungen des Rheinwasserstands im Untersuchungsgebiet lediglich für den
amtlichen Pegel Speyer vorlagen. Es wurden deshalb Anfang April 40 Messpegel in
der rezenten Aue zwischen Mannheim und Speyer aufgestellt. Während des
Hochwasserereignisses im Juni 1999 kamen die Pegel jedoch kaum zum Einsatz, da
dieses Hochwasser mit fast 5m über MW ein Aufsuchen der meisten Messstellen
unmöglich machte. Die Höhe des maximalen Wasserstandes konnte aber dennoch
bestimmt werden: Während des Hochwassermaximums wurde der Wasserstand an
verschiedenen Bäumen markiert und nach dem Rückgang der Inundationen
eingemessen. Zudem wurde
innerhalb von Auebereichen, die während des
Hochwassers nicht begehbar waren, der maximale Wasserstand über den markanten
Sedimentniederschlag an den Bäumen eingemessen (siehe Abb. 4.).
7
Der telefonische Ansagedienst der Wasser- und Schifffahrtsdirektion Südwest informiert täglich über
den Abfluss des Rheins an der Staustufe Kembs sowie über die Wasserstände der wichtigsten
Rheinpegel. Detaillierte Informationen zum Verlauf der Hochwasserwellen an den Messpegel geben
die viertelstündlich aktualisierten Ansagedienste der einzelnen amtlichen Messstationen. Ferner
lassen sich im Internet täglich unter http://www.uis-extern.um.bwl.de/lfu7hvz die wichtigsten
Wasserstands- und Abflussganglinien als Tabelle und Grafik, sowie Lageberichte und ausgewählte
Vorhersagen der HVZ abrufen.
27
?? Zum anderen wurden auch in bereits bekannten Druckwasserstellen bzw.
außendeichs gelegenen Senken Meßlatten errichtet. Dadurch konnte während
der verschiedenen Hochwasserereignisse im Jahr 1999 die Wasserstandsentwicklung in den Druckwasserflächen mit derjenigen des Rheins
verglichen und so Rückschlüsse auf das Inundationsverhalten dieser Flächen
geschlossen werden (Ergebnisse siehe Kapitel VI).
II.2.3.1.3. Bodensondierungen
Neben ihrer Lage zum Rhein ist die Beschaffenheit des Untergrundes (das
Vorhandensein von Grundwasser leitenden oder hemmenden Sedimentschichten)
der wichtigste Einflussfaktor für das Inundationsverhalten von Druckwasserflächen.
Intensive Untersuchungen der holozänen Sedimente des Untersuchungsgebietes
waren im Rahmen unseres Forschungsprojektes nicht möglich. In mehreren
Druckwasserflächen, die während des Junihochwassers von 1999 durch ihre
ungewöhnliche Wasserstandsentwicklung aufgefallen waren, wurden jedoch im
Rahmen von drei Geländepraktika Bodensondierungen vorgenommen8. Es konnte
so anhand exemplarischer Beispiele zumindest qualitativ der Zusammenhang
zwischen Beschaffenheit des Untergrundes und Inundationsdynamik der
entsprechenden Fläche untersucht werden. Oftmals konnte das „individuelle“
Inundationsverhalten der Druckwasserflächen durch diese Untersuchungsmethode
geklärt werden. Mehrere Meter mächtige Tone waren vor allem bei älteren, d.h. noch
vor der Rheinbegradigung verlandeten Schluten nachweisbar. Diese Flächen
reagierten erwartungsgemäß langsamer auf Wasserstandserhöhungen des Rheins.
Andererseits stand einmal eingedrungenes Wasser über Monate hinweg in diesen
Senken und verdunstete bzw. versickerte erst allmählich. Eine Darstellung der
Ergebnisse findet sich in Abschnitt V..
II.2.3.2. Inundationsflächenkartierung anhand von fernerkundlichen Methoden
Die Möglichkeit, das Ausmaß von Inundationen auch bei mehreren hundert km²
großen Untersuchungsgebieten innerhalb weniger Stunden dokumentieren zu
können, ist der entscheidende Vorteil der Fernerkundung gegenüber den bisher
vorgestellten Methoden. Extreme Hochwasserereignisse wie das Junihochwasser
1999 am Oberrhein lassen sich ohne fernerkundliche Methoden nicht mehr
dokumentieren, da großflächige Überschwemmungen durch Geländebegehungen
nicht mehr flächendeckend erfassbar sind. Bei derartigen Ereignissen ist ein Großteil
der Forstwege im Untersuchungsgebiet überschwemmt, so dass der Einsatz von
Booten bei Kartierungsarbeiten im Gelände notwendig wäre. Während sich das
Problem der Homogenität bzw. der Vollständigkeit der Datenerhebung bei der
Fernerkundung im Vergleich zu Kartierungen durch Geländebegehungen kaum stellt,
liegt die problematischste Aufgabe dieser Methode in der richtigen Interpretation der
Bilder. Was für die Luftbildinterpretation im allgemeinen gilt, trifft auf die Erfassung
von Überschwemmungsflächen in erhöhtem Masse zu: Ohne detaillierte
Bodenkontrollen und ein umfassendes Wissen des Luftbildinterpreten über die
Eigenheiten des betrachteten Geländes ist eine Interpretation nur von geringem
Wert. Das Erscheinungsbild von Überschwemmungsflächen bzw. ihre Wiedergabe in
Luft- und Satellitenbildern weist eine große Variationsbreite auf - je nach Bodenart,
8
An dieser Stelle sei meinem früheren Lehrer am Gymnasium Sandhausen, Herrn Dr. Manfred
Löscher, für beratende Unterstützung und die unentgeltliche Bereitstellung seines Bohrgerätes für die
Geländepraktika am Geographischen Institut der Universität Heidelberg ausdrücklich gedankt.
28
umgebender Vegetation, Sedimentführung des Wassers, aufschwimmendem
Getreibsel, Wassertiefe oder durch den Sonnenstand bedingten Spiegelungseffekten
(um nur einige der Einflussfaktoren genannt zu haben) auf der einen Seite und den
Aufnahmeeigenschaften des Fernerkundungssensors auf der anderen Seite.
Trotz der mittlerweile relativ kostengünstig verfügbaren, hoch auflösenden Ikonos
Daten 9 wird auch in Zukunft das Flugzeug bei der Erfassung von Inundationsflächen
die wichtigste Fernerkundungsplattform bleiben. Das Hauptproblem bei der Nutzung
von Satellitenbildern für diesen Anwendungsbereich liegt in ihrer geringen zeitlichen
Auflösung. Während Satelliten in der Regel erst nach mehreren Tagen ein zweites
Bild von einem Hochwasserereignis liefern können, ist eine auf Flugzeuge gestützte
Datenerfassung sogar im Stundentakt möglich. Ein weiterer entscheidender Vorteil
von Flugzeugen gegenüber Satelliten ist die Möglichkeit, unterhalb von Wolken zu
fliegen und so auch bei einer geschlossener Wolkendecke Luftbilder zu erstellen.
Dieser Gesichtspunkt ist in seiner Bedeutung für die Datenerhebung nicht zu
unterschätzen, denn oftmals gehen Hochwasserereignisse mit wolkenreichen
Witterungsverhältnissen einher. Beispielsweise wurden im Juni 1999 zwei der im
Rahmen dieser Arbeit vorgenommenen Befliegungen mit einer Cessna bei leichtem
Regen unterhalb einer völlig geschlossenen Wolkendecke vorgenommen. Auch an
den anderen Befliegungstagen im Juni 1999 war zumeist starke Bewölkung
vorherrschend – Satellitenbilder hätten das Ausmaß der Überschwemmungen an
diesen Tagen nicht bzw. nur lückenhaft wiedergeben können.
Neben Luftbildern aus professionellen Luftbildflügen wurden während der
Hochwasserereignisse im Jahr 1999 auch eigene Luftbilder von den
Überschwemmungsflächen erstellt. Im Februar 1999 stellte die KABS einen
Helikopter für die Luftbildaufnahmen zur Verfügung. Der Vorteil von Helikoptern ist
ihre hohe Wendigkeit in der Luft. Der Pilot kann flexibel auf die Wünsche des
Photographen eingehen, das für Flugzeuge obligatorische „Fliegen in Streifen“
entfällt, da auch engen Flussbiegungen ohne Mühe gefolgt werden kann. Gegen
einen Helikopter als Fernerkundungsplattform sprechen vor allem die hohen
Charterkosten von 1000 bis 2000 DM/ Flugstunde.
Als kostengünstigere Fernerkundungsplattform mit Charterpreisen von etwa 300DM/
Flugstunde bewährte sich in diesem Promotionsprojekt eine Cessna mit
Heimatflughafen Mannheim in insgesamt neun Einsätzen. Für die Querstrebe an der
rechten Tragfläche wurde in Eigenbau eine Kameraaufhängung angefertigt, welche
Platz für 2 Spiegelreflexkleinkameras bzw. digitale Photo- oder Videokameras bietet.
Die zahlreichen, im Rahmen des Projekts ausgewerteten Luftbilder lassen sich in
selbst erhobene und von professionellen Befliegungsunternehmen erstellte
unterteilen:
- Selbst erhobene Luftbilder
Durch Befliegungen des Untersuchungsgebietes während verschiedener
Hochwasserereignisse in den Jahren 1997 und 1999 entstand eine große Zahl von
Inundationsflächenbildern
des
Untersuchungsgebietes.
Aus
Mangel
an
entsprechenden Projektmitteln wurden die Bilder mit einfacher technischer
Ausstattung (zwei Kleinbild Spiegelreflexkameras und eine digitale Videokamera)
erstellt. Die Kosten für die zwei Helikopterbefliegungen wurden von der KABS
übernommen, die neun Cessna Befliegungen aus eigenen Mitteln finanziert. Bei den
selbst erstellten Aufnahmen handelt es sich überwiegend um photogrammetrisch nur
schwerlich auswertbare Schrägluftbilder. Eine Übertragung der auf ihnen
9
Eindrucksvolle Beispiele von bis in den Meterbereich aufgelösten Ikonos Bildern finden sich unter
http://www.spaceimaging.com/level2/level2gallery.htm
29
abgelichteten Inundationsflächen in eine topographische Karte setzt eine intensive
visuelle Interpretation der Aufnahmen voraus. Die Mehrzahl der Bilder liegen als
Kleinbild-Diapositiv oder als digitales Video vor. Gute Ergebnisse konnten auch mit
SW - Infrarotfilmen erzielt werden.
- Luftbildmaterial aus professionellen Befliegungen
Aus dem Luftbildarchiv des Geographischen Instituts der Universität Heidelberg
konnte eine Reihe von auswertbaren Luftbildszenen zur Inundationsflächenanalyse
herangezogen
werden.
Zudem
wurden
vom
Landesvermessungsamt
Senkrechtaufnahmen des Untersuchungsgebietes vom Juli 1999 gekauft. Die
meisten dieser aus professionellen Befliegungen (Reihenmesskammeraufnahmen)
stammenden Luftbildszenen waren leider nicht während eines Hochwassers,
sondern teilweise erst Monate danach entstanden, so dass sich die Auswertung auf
die Interpretation von Hochwasser bedingten Vegetationsveränderungen
konzentrierte. Die meisten Luftbilder lagen als panchromatische SW-Photos vor.
Anhand einer Luftbildszene des Untersuchungsgebietes aus dem Jahre 1975 konnte
auch die Wiedergabe von Inundationsflächen in farbigen Infrarotbildern
(Falschfarbenluftbild) analysiert werden.
II.2.3.3. GIS gestützte Auswertung historischer Karten
Die Begradigung des Rheins wurde bereits im 19. Jh. von zahlreichen
Untersuchungen
begleitet.
Anhand
der
detaillierten,
zeitgenössischen
topographischer Karten, anhand von Urkunden, Verträgen, Plänen und anderen
historischen Quellen lässt sich der Wandel der Rheinauen hervorragend nachvollziehen.
Die ältesten erhaltenen Darstellungen des Untersuchungsgebietes finden sich in den
Protokollen der "großen Oberrhein- und Niederrhein-Befahrungen". Es handelt sich
hierbei um die schriftlichen Aufzeichnungen der Rheinbefahrungen, die von Kurpfalz
zur Festlegung ihrer Hoheitsrechte auf dem Rhein vom 15. bis zum 18. Jahrhundert
vorgenommen wurden. Sie wurden mit Hilfe von Forst- und Fischereimeistern und
Einwohnern der angrenzenden Gemeinden durchgeführt und beschreiben genau die
beiderseits des Stromes gelegenen Auen, Wörthe, Inseln sowie die jeweiligen
Nutzungen und Besitzstände (MUSALL 1969; S.348). Für das Untersuchungsgebiet
sind besonders die großen Rheinbefahrungen von 1571 und 1575 aufschlussreich,
sowie die kleine Rheinbefahrung von 1580, welche mit der Rheinstromkarte des
Speyrer Malers Wilhelm Besserer die erste großmaßstäbige Darstellung des
Bereichs Speyer-Worms enthält (GLA Abt 77/5714; GLA Abt 77/5712; MUSALL
1969, S.651). Weitere Protokolle entstanden 1590 und 1668 (GLA 77/5711; GLA
77/5879). Ab dem Ende des 17. und Anfang des 18. Jahrhunderts sind bereits
mehrere, z.T. recht genaue topographische Karten größeren Maßstabs für die
Oberrheinlande erhalten. Vor allem unter französischer Herrschaft wurde im 17.
Jahrhundert das linke Rheinufer detailliert kartiert. Im Laufe des 18. Jahrhunderts
entstand eine große Zahl von Karten und Plänen. Besonders gegen Ende des 18.
Jahrhunderts sind exakte großmaßstäbige Unterlagen für Teilstrecken erhalten,
welche die Niederungslandschaft mit dem Rhein genau wiedergeben. Die anlässlich
der Rheinkorrektion angelegten Pläne und Kartenwerke leiten schließlich schon über
zur amtlichen Topographie des 19. Jahrhunderts und geben eine klare
topographische Vorstellung aus der Zeit unmittelbar vor der Korrektion (siehe
MUSALL 1969; S.151). Besonders hervorzuheben ist die „Rheingrenzkarte“ im
Maßstab 1:20.000. Mit ihr begründete Tulla von 1824 bis 1828 die
30
Landesvermessung und topographische Landesaufnahme im Großherzogtum Baden
(siehe BECK (o.J)). Die Rheingrenzkarten prägten den weiteren topographischen
und kartographischen Stil der badischen Landesaufnahme. Die Kartenwerke
genügen den heutigen geodätischen Anforderungen an topographischen Karten und
übertreffen die aktuellen Kartenblätter der Landesvermessungsämter in ihrem
ästhetischen Erscheinungsbild bei weitem. Rheingrenzkarten wurden von Basel bis
Sandhofen bei Mannheim zu verschiedenen Zeitpunkten erstellt. Ein Nachweis der
untersuchten Karten befindet sich am Ende des Literaturverzeichnisses.
Vielfach wurde der durch die Rheinbegradigung ausgelöste Landschaftswandel
qualitativ untersucht (z.B. MUSALL 1968, 1969 und 1971, REINHARD 1974,
DÖRRER 1984), so dass heute bereits ein recht genaues Bild vom Wandel dieser
Kulturlandschaft vorliegt. Eine detaillierte quantitative Auswertung und Analyse der
Kartenwerke des 19. Jahrhunderts ist dagegen bisher trotz ihrer außerordentlich
hohen Qualität noch nicht erfolgt. Die Grundidee bei den im Rahmen des
Promotionsprojektes durchgeführten GIS-gestützten Analysen historischer Karten
besteht darin, angelehnt an die in der Fernerkundung übliche „change detection“,
durch den Vergleich von Luftbildern, Topographischen Karten bzw. einzelnen GIS
Informationsebenen mit den historischen Karten Veränderungen zu erkennen und
diese räumlich und quantitativ zu beschreiben. Die
Interpretation der so
gewonnenen Daten kann dann wiederum für Rückschlüsse auf z.B. die Entstehung
oder räumliche Verbreitung von rezenten Inundationsflächen genutzt werden.
Folgenden Fragen wurde im Rahmen des Projektes bei der historischen
Kartenanalyse nachgegangen:
a) Wie hat sich die Landschaft in der Rheinaue seit der Rheinbegradigung (nicht
qualitativ, sondern quantitativ) gewandelt? (Quantitativer Landschaftswandel)
b) Ist die historische Nutzungsstruktur ein Indikator für die räumliche Verbreitung
rezenter Druckwasserflächen? Die Rheinkorrektur unter Tulla stand im
Zeichen der Gewinnung von landwirtschaftlicher Nutzfläche. Es ist deshalb
davon auszugehen, dass die Flächen ihrer höchstmöglichen Nutzung
zugeführt, „in Wert“ gesetzt wurden. Die in den Rheinstromkarten
verzeichneten „nassen Wiesen“ sind deshalb als deutliche Indikatoren für das
einstige Auftreten von Druckwasserflächen zu interpretieren. Ein Vergleich der
historischen Landnutzung mit den Ergebnissen der Inundationsflächenkartierungen im GIS gibt Antwort auf die Frage, inwieweit die
historische Landnutzung auch als Indikator für die rezente Verteilung von
Druckwasserflächen genutzt werden kann.
c) Können aus den historischen Karten weitere Hinweise auf die räumliche
Verteilung von rezenten Inundationsflächen gewonnen werden? In den
Rheinstromatlanten ist der Verlauf des Rheins sowie die Verteilung von Sand
und Kiesbänken im 19. Jh. genauestens verzeichnet. Sofern diese Flächen
nicht auch heute noch zum Gerinnebett des Flusses zählen, handelt es sich
hierbei um sehr junge Verlandungsflächen und um rezente Inundationsflächen. In einem Vergleich des ehemaligen Rheinbetts mit den heutigen
Überschwemmungsflächen im GIS ist die Frage zu klären, bei welchen
Wasserständen diese Flächen geflutet werden.
Eine erste GIS-gestützte Analyse historischer Karten im Hinblick auf die Genese und
Verbreitung von Stechmückenbrutplätzen erfolgte bereits in der Diplomarbeit von
LEINER 1997. Im Rahmen der vorliegenden Promotionsarbeit wertete CLEMENS
JAKOBS in seiner Diplomarbeit die Badischen Rheinstromatlanten von 1856 und
31
1875 für den größten Teil des Untersuchungsgebietes im GIS aus. JAKOBS ging
dabei vor allem den Fragen
a) (Quantitativer Landschaftswandel) und
b) (historische Flächennutzung als Indikator für Druckwasserflächen) nach.
Sowohl die Ergebnisse seiner Arbeit, als auch die zusätzlich und parallel dazu
vorgenommenen Auswertungen im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden in
Abschnitt VI. diskutiert.
32
III. Hydrogeographische Merkmale des
Untersuchungsgebietes
Anhand eines Untersuchungsgebiets in der Rheinniederung bei Speyer wurden im
Rahmen der vorliegenden Promotionsarbeit die soeben vorgestellten Methoden der
Inundationsflächenerfassung erprobt, die Ergebnisse der Fernerkundungs- und
Feldarbeiten in ein GIS implementiert, analysiert und als Grundlage für die
Erarbeitung eines Inundationsflächenmodells genutzt. Das eigentliche Untersuchungsgebiet umfasst die Rheinniederung zwischen Rheinhausen und der
südlichen Gemarkungsgrenze der Stadt Mannheim (siehe Abb. 5. und Abb. 6.). In
Ost-West Richtung bildet die Böschung der Hochgestade seine morphologische
Grenze. Es befindet sich inmitten der Mäanderzone des Oberrheins. Nicht zuletzt um
abschätzen zu können, inwieweit die in diesem Gebiet gewonnenen Ergebnisse auch
für andere Flusssysteme gültig sind, ist es notwendig, die hydrogeographischen
Charakteristika des Untersuchungsgebietes näher zu beleuchten. Nach klassisch
geographischer Einteilung werden dabei zunächst die natürlichen Grundlagen und
anschließend die anthropogenen Eingriffe in den Naturhaushalt und ihre Folgen
abgehandelt. Auf eine eingehende Darstellung wird verzichtet, da zu diesem
Themenkomplex bereits zahlreiche Untersuchungen vorliegen und die für das
Untersuchungsgebiet relevante Literatur bereits in der Diplomarbeit des Verfassers
ausführlich vorgestellt wurde (siehe LEINER 1997).
Der Schwerpunkt der folgenden Betrachtungen liegt vielmehr auf den Faktoren,
welche die Entstehung von Inundationsflächen und insbesondere von Druckwasserflächen im Untersuchungsgebiet beeinflussen.
III.1. Natürlicher Zustand
Zu den wichtigsten physiogeographischen Faktoren, welche die Entstehung und
Ausdehnung von Überschwemmungsflächen im natürlichen, vom Menschen
unbeeinflussten Zustand bestimmen, zählen Geologie (und hier vor allen Dingen die
Interaktion von Rhein- und Grundwasser), Klima (Niederschläge im Rheineinzugsgebiet), die Abflussdynamik des Rheins sowie die Morphologie des Reliefs in
der rezenten und potentiellen Überschwemmungsaue.
III.1.1. Geologische Merkmale des Oberrheingebietes
Als Oberrhein wird der Rheinabschnitt zwischen Basel und Mainz bezeichnet. Der
Strom verlässt bei Basel das enge Tal des Hochrheins und erstreckt sich in der
breiten, aus fluvialen Ablagerungen aufgebauten Oberrheinischen Tiefebene. Die
Rheinebene mit etwa 300 km Länge und bis zu 50 km Breite ist Teil eines
weitläufigen Bruchsystems. Für eine ausführliche Darstellungen der komplexen
tektonischen Hebungs- und Senkungsprozesse in der Oberrheinebene und ihrer
Randgebirge sei auf ILLIES 1967 und 1982 verwiesen.
Bei der Untersuchung der heutigen Inundationsflächen des Flusses und ihrer
Interaktion mit dem Grundwasser ist in erster Linie das Pleistozän von Interesse: Die
heutige Oberflächenform der Rheinebene ist vorrangig das Ergebnis der seit den
Eiszeiten wirkenden geomorphologischen Prozesse. Hauptsteuerungsfaktor waren
die Klimaänderungen der letzten 1,5 Millionen Jahre. Etwa 100 m bis maximal 382 m
(Heidelberger Loch) mächtige Schotter wurden in diesem Zeitraum in der
33
Oberrheinebene abgelagert. Ihnen kommt heute eine wichtige Funktion als
Grundwasserleiter und -speicher zu. Der Aufschüttungsprozess erfolgte im
wesentlichen während der letzten vier Eiszeiten im Vorfeld der Gletscher. In den
wärmeren Zwischeneiszeiten und dem Holozän grub sich der Rhein dagegen wieder
in die jungen Aufschüttungen ein.
Gegen Ende der Würmeiszeit nahm die Erosionstätigkeit des Flusses zu. In die
Niederterrasse schnitt sich der Rhein eine im Mittel ca. 6 km breite Überschwemmungsebene ein, die heutige „Rheinniederung“ (auch „Talaue“ genannt), in
der sich unser Untersuchungsgebiet befindet. Anhand des Hochgestades, der
Terrassenkante von Rheintalniederterrasse zur Rheinniederung, lässt sich das
Ausmaß der vor der anthropogenen Korrektion eingetretenen Tiefenerosion des
Flusses deutlich ablesen. Nach ILLIES (1982; S.11) sind Ursache der unterschiedlich
starken Ausbildung des Hochgestades junge, erst seit den letzten 20 000 Jahren
wirkende tektonische Prozesse, die eine unterschiedlich starke Vertikalbewegung
verschiedener Abschnitte der Oberrheinebene bewirken (siehe Abb. 7.c.):
Nördlich von Basel bis zum Isensteiner Klotz beträgt die Höhe der Hochgestade 20
bis 22m und sinkt bis Breisach auf Null ab. Talabwärts bis etwa Straßburg bleibt die
Eintiefung sehr gering und erst nördlich von Straßburg, zwischen Rastatt und
Karlsruhe, ist wieder ein Anstieg der Hochgestade auf 10 m bis 14 m zu erkennen.
Besonders zwischen Karlsruhe und Mannheim ist der Steilabfall deutlich ausgeprägt.
Nördlich Mannheim nehmen die Hochgestade bis ins Mainzer Becken ab, wo sie
schließlich gänzlich verschwunden sind (ILLIES 1982, S.11). Ohne auf Abschnitt III.2.
(Anthropogene Einflüsse) vorgreifen zu wollen, sei an dieser Stelle auf die
Bedeutung des Hochgestades als Siedlungsstandort hingewiesen. Dort, wo die
Hochgestade ausgebildet sind, begrenzen sie deutlich die morphologische Aue des
Rheins und trennen hochwassergefährdete von hochwassersicheren Bereichen
(siehe Abb. 8.)10. Die ältesten Siedlungen im Untersuchungsgebiet reihen sich wie
Perlen an einer Kette entlang des Hochgestaderandes, da diese Standorte trotz ihrer
Nähe zum Fluss sicher vor Hochwasser waren. Erst in der Neuzeit entstanden
unterhalb des Hochgestades in größerem Maße dauerhafte Siedlungen. Dass
derartige Siedlungen trotz umfangreicher Dammbauten nach wie vor gefährdet sind,
hat nicht zuletzt das Elbhochwasser im August 2002 mit drastischer Deutlichkeit
gezeigt.
III.1.2. Grundwasserleiter im Untersuchungsgebiet
Aufgrund der stärkeren Absenkung der Grabenschollen im Osten des
Untersuchungsgebietes sind dort die größten Sedimentmächtigkeiten ausgebildet
10
Siedlungen wurden im Bereich der Oberrheinniederung seit Anbeginn der
Besiedelungsgeschichte bis ins 19. Jh. hinein auf dem hochwassersicheren
Hochgestade mit möglichst großer Nähe zum Fluss errichtet. Beispielsweise
gründeten die Römer das heutige Speyer auf einer Hochgestadezunge, welche direkt
bis zum Rhein hin vorstößt. Dieser bevorzugte Standort ermöglichte trotz seiner
unmittelbaren Nähe zum als Transportweg und Fischgrund wichtigen Strom die
Errichtung einer hochwassersicheren Siedlung (bzw. eines Militärlagers). Erst seit
der Mitte des 20. Jh. sind trotz der nach wie vor bestehenden Hochwassergefahr in
der Speyerer Rheinniederung in größerer Anzahl Neubaugebiete und Gewerbeansiedelungen entstanden.
34
(Heidelberger Loch). Nach Westen, zur Vorderpfalz hin, dünnen die
Sedimentmächtigkeiten
aus
(MINISTERIUM
FÜR
UMWELT
BADENWÜRTTEMBERG (HRSG.) 1987, S.20).
Die grundwasserführenden quartären und pliozänen Lockergesteine gliedern sich im
untersuchten Bereich des Oberrheingrabens bis zur westlichen Verbreitungsgrenze
des hydrogeologisch bedeutsamen Oberen Tones in die in Tab. 3. dargestellten
Einheiten (Vgl. Abb. 9. / MINISTERIUM FÜR UMWELT BADEN-WÜRTTEMBERG
(HRSG.) 1987, S.14). Die drei quartären Grundwasserleiter haben zwar
untereinander und auch zum pliozänen Grundwasserleiter hydraulische Verbindung,
besitzen jedoch jeweils eine gewisse Eigenständigkeit.
Der Obere Grundwasserleiter besteht vorwiegend aus sandigen Kiesen und kiesigen
Sanden, wobei der Kiesanteil nach Westen hin in der Vorderpfalz geringer wird. Auch
die Mächtigkeit des Oberen Grundwasserleiters nimmt nach Westen hin ab.
Rechtsrheinisch beträgt die Mächtigkeit 25 bis 50 m, während sie linksrheinisch auf
20 bis 25 m und bereichsweise bis 10 m abnimmt. In diesem Grundwasserleiter
spielen sich die für die Entstehung von druckwassergespeisten Inundationsflächen
hydrologisch bedeutsamen Prozesse ab (MINISTERIUM FÜR UMWELT BADENWÜRTTEMBERG (HRSG.) 1987, S.29).
Der Obere Zwischenhorizont trennt weithin den Oberen Grundwasserleiter vom
Mittleren Grundwasserleiter und bewirkt bei einer flächenhaften Mächtigkeit von 10
bis 40 m eine ausgeprägte hydraulische Stockwerksbildung. Hauptbestandteil des
Oberen Zwischenhorizonts ist der obere Ton mit einer Mächtigkeit von maximal 35
m. Gebietsweise weist er jedoch auch beträchtliche Lücken auf, wie z.B. südöstlich
von Mannheim-Rheinau. Im Bereich des Untersuchungsgebietes scheint der Obere
Zwischenhorizont aber geschlossen vorzuliegen. Erst im Westen, im Bereich der
randlichen Grabenscholle dünnt der überwiegend sandig-schluffige Obere
Zwischenhorizont bereichsweise auf ca. 10 m und mehr aus.
Es ist bei den folgenden Betrachtungen von einer hydrologischen Trennung des
Oberen Grundwasserhorizonts von den tieferliegenden Grundwasserhorizonten im
Bereich des Untersuchungsgebietes auszugehen. Die Grundwasserkörper unterhalb
des Oberen Zwischenhorizonts haben nur bei langfristigen und großräumigen
Änderungen der hydrologischen Rahmenbedingungen (z.B. langfristige Abnahme der
Grundwasserspeisung durch anhaltende Trockenperioden, starke anthropogene
Wasserentnahme aus den Unteren Grundwasserleitern) Einfluss auf die Überschwemmungsflächendynamik des Untersuchungsgebietes. Sie bedürfen deshalb
hier keiner näheren Betrachtung.
Der Obere Grundwasserleiter mit seinen pleistozänen Sanden und Kiesen wird im
Bereich der Rheinniederung von den holozänen Sedimenten des Rheins überdeckt
(siehe Abb. 9.). Bis zum Beginn der anthropogenen Eingriffe in das Gerinne des
Rheines war der gesamte Bereich zwischen den Hochgestaden in die Erosions- und
Sedimentationsprozesse des mäandrierenden Stromes eingebunden. Das Holozän
baut sich in der Aue des Untersuchungsgebietes aus einer Abfolge von etwa 20 bis
25 m mächtigen Grob-, Mittel- und Feinkiesen sowie Sanden und Aulehmen auf. Die
Schichtung bzw. Sortierung der fluvialen Sedimente erfolgte in natürlichem Zustand
durch die Erosions- und Akkumulationsprozesse im sich ständig verändernden
Gerinne des Flusses. Das heutige Muster in der räumlichen Verteilung der
wasserhemmenden Feinsedimente und der wasserleitenden Kiese und Sande des
Holozäns resultiert aus den Erosions- und Sedimentationsprozessen im Gerinne des
Rheins bzw. seinen kontinuierlichen und sprungartigen Bettverlagerungen.
35
Bevor nun auf die Interaktionsprozesse zwischen Flusswasser bzw. Uferfiltrat und
dem von den seitlichen Randgebirgen rheinwärts strömenden Grundwasser
eingegangen wird, soll zunächst die Entstehung des holozänen Musters aus wasser
hemmenden und –leitenden Sedimenten näher betrachtet werden. Die räumliche
Verteilung von Wasserleitlinien und –barrieren beeinflusst maßgeblich das räumliche
Muster der rezenten Inundationsprozesse:
III.1.3. Die Ausbildung des Reliefs in der Rheinniederung
Der Talboden der Oberrheinebene ist von Süden nach Norden geneigt: Von Weil am
Rhein bei Basel mit 250 m ü. NN sinkt er auf 83,5 m ü. NN an der Mainmündung bei
Mainz (siehe auch SCHÄFER 1978, S. 9). Das Gefälle nimmt vom Süden bei Isenstein mit etwa 1m/km nach Norden hin auf 0,1m/km hin ab. Aufgrund des
unterschiedlich stark abnehmenden Gefälles hatten sich vor dem Beginn größerer
anthropogener Eingriffe unterschiedliche Gerinnetypen ausgebildet: Im Süden die
Furkationszone und im Norden die Mäanderzone. Dazwischen befand sich eine
Übergangszone, die keinem der beiden Typen eindeutig zuzuordnen ist (siehe Abb.
10.).
III.1.3.1. Die Furkationszone
Dieser Abschnitt zwischen Basel und der Murgmündung bei Rastatt wird auch
südlicher Oberrhein genannt. Das durchschnittliche Gefälle beträgt 0,087%; die
Länge beträgt rund 202 km (TITIZER, KREBS 1996, S.16). Aufgrund der
Gefällsverminderung gegenüber dem Hochrhein sedimentierte der Fluss im
Oberrheinischen Tiefland Kiese und Schotter. Der Charakter der Furkationszone mit
hoher Morphodynamik und einer Vielzahl von Inseln war in der breiten Talniederung
besonders gut ausgeprägt. Die 30-40 km breite Ebene des Oberrheinischen
Tieflandes zwischen Vogesen und Schwarzwald bot Raum für eine bis zu 12 km
breite Aue (TITIZER, KREBS 1996, S.17). Der Rhein floss langsam in
unregelmäßigen, stark gewundenen, durch Inseln und Kiesgründe voneinander
getrennten Armen (siehe Abb. 11. und Abb. 12.). Das Gerinnebett war in mehr oder
weniger parallel laufende Rinnen mit einer meist in der Mitte liegenden, schwach
mäandrierenden Hauptrinne aufgespalten. Das Seitwärtswandern des Stromes hatte
bescheidene Ausmaße. Eine seitwärtswandernde Rinne traf sehr bald auf eine
Nachbarrinne und vereinigte sich mit ihr. Jedes Hochwasserereignis beeinflusste den
Lauf des Stromes. Alte Seitenarme verschwanden, neue entstanden.
Bei
Überschwemmungen beherrschte der Strom die ganze Breite der Talaue (SCHÄFER
1973, S.20).
Den im Furkationsabschnitt des Rheins abgelagerten Sedimenten fehlt die klare
Ordnung im Gefüge, wie sie für die Sedimente des Mäanderabschnitts gilt (s.u.). Die
Erosions- und Sedimentationsverhältnisse in der Furkation schwanken wenig. Es
lagern sich entsprechend der relativ einheitlich vorherrschenden Transportkraft nur
bestimmte Korngrößen ab. So werden feinere Sedimente aufgrund der im Vergleich
zum Mäanderbereich stärkeren Strömung und aufgrund des Mangels an größeren
Stromschattengebieten stromabwärts gefrachtet. Die Sedimente der Furkationszone
weisen deshalb ein recht homogenes Bild auf. Es lagern sich überwiegend in ihrer
Korngröße kaum schwankende Kiese ab. Tonbestandteile fallen kaum an. Eine
Schichtung der Sedimente ist immer nur auf kleine Bereiche beschränkt (SCHÄFER
1973, S.20-22).
36
III.1.3.2. Die Mäanderzone
Die Mäanderzone, auch als „Nördlicher Oberrhein“ bezeichnet, erstreckt sich von
Karlsruhe bis Mainz. Das durchschnittliche Gefälle beträgt nur noch 0,025%, die
Länge liegt bei 135 km (TITIZER; KREBS 1996, S.16). Aufgrund der reduzierten
Strömungsenergie reagiert der Wasserkörper verstärkt auf lokale, morphologische
Gegebenheiten
im
Gerinnebett.
Der
Stromstrich
als
Linie
höchster
Wassergeschwindigkeit pendelt aus der Mitte des Wasserkörpers heraus und
verursacht eine verstärkte Seitenerosion (siehe Abb. 13. sowie TITIZER; KREBS
1996, S.17). Die Mäanderamplitude wächst mit abnehmendem Gefälle. Im Abschnitt
Karlsruhe-Speyer liegt sie bei 2-4 km und steigt zwischen Worms und Mainz auf 5-7
km an. Dementsprechend stellt sich auch die Bildung von Auen und Altrheinarmen
und Inundationsflächen in veränderter Form dar (TITIZER; KREBS 1996, S.18.).
In einem mäandrierenden Gerinne überwiegt die Seitenerosion gegenüber der
Tiefenerosion. Erosion am Prallhang bedeutet stets Sedimentation am Gleithang. Da
im Flussquerschnitt verschiedene Stromgeschwindigkeiten herrschen, kommt es bei
der Sedimentation zu einer Sortierung der Korngrößen. Im stärker bewegten
Sohlenbereich kommen die groben Kiese, in den oberen Zonen des Gleithanges und
zudem nach oben gestaffelt die Feinkiese, Grobsande, Feinsande und schließlich die
Auelehme zur Ablagerung (siehe Abb. 14.). Die Schichtenfolgen weisen im Idealfall
immer die gleiche Neigung und die gleiche vertikale Sortierung nach Korngrößen auf.
Im Gegensatz zu den ungeordneten Sedimentkörpern der Furkationzone ist die
Flussaue der Mäanderzone von horizontal übereinanderliegenden, aber in sich
schräg geschichteten Sedimentkörpern geprägt (SCHÄFER 1973a, S. 20). Aufgrund
der starken Wasserstandsschwankungen des Rheins im Jahresverlauf variiert die
Transportkraft des Flusses. Daraus resultieren Veränderungen in der Schräge der
abgelagerten Schichten und der Korngrößenfolge. Zwar bleibt die Abfolge vom
Gröberen zum Feineren immer bestehen, bei Hochwasser verschiebt sich die
Sortierung aber aufgrund der höheren Fließgeschwindigkeiten im Schnitt nach oben,
bei Niedrigwasser wird sie gestaucht. So erklärt sich, dass sich in die kontinuierliche
Schrägschichtung einheitlichen Korns Schichtpakete bald gröberen (=Hochwasser)
und bald feineren (=Niedrigwasser) Korns einschieben.
Die durch die skizzierte Korngrößensortierung entstehenden horizontalen Schichten
mit kiesigen, wasserdurchlässigen Sedimenten spielen bei der weiter unten in dieser
Arbeit diskutierten Druckwasserflächendynamik eine große Rolle, da die
durchlässigen Sedimentpakete auch nach einer künstlichen oder natürlichen
Verlegung des Flussbettes und der Verlandung der Altarme im Untergrund
verbleiben und als Leitbahnen des während eines Hochwassererignisses in den
Untergrund einsickernden Uferfiltrats dienen. Entsprechend der starken Krümmung
des einstigen Flussbettes verlaufen viele dieser Sedimentablagerungen in länglichen,
manchmal fast senkrecht vom heutigen Rheingerinne wegführenden Linien, weshalb
sich hochwasserbedingte Druckwellen rasch auch in die flussfernen Bereiche der
Aue fortpflanzen können. Eine Abdeckung dieser Leitbahnen durch die spätere
Ablagerung wasserundurchlässiger, schlickig-toniger Sedimente beeinträchtigen die
Leitfähigkeit der Kiesschichten nicht, solange diese irgendwie in Verbindung mit dem
Hochwasser stehen. Die Versiegelung der Leitbahnen führt lediglich dazu, dass sich
die Ausbreitung der Druckwasserwelle unter gespannten Bedingungen ausbreitet.
Wasseraustritte sind dann im Allgemeinen nicht am tiefsten Punkt von in der Nähe
befindlichen Geländesenken, sondern an der geringmächtigsten Stelle der
abdichtenden Tonpakete zu erwarten.
37
Die Mächtigkeit von durch fluviale Prozesse abgelagerten Sedimenten ist im
flussnahen Bereich stets größer als im flussfernen: Tritt der Fluss über die Ufer, wird
die Fliesgeschwindigkeit des jenseits des eigentlichen Gerinnebettes fließenden
Wassers durch zahlreiche Faktoren (Gefälleverminderung, erhöhte Reibung,
Umlenkung der Fließrichtung, geringere Wassertiefe) rasch vermindert. In Folge der
abgebremsten Fliessgeschwindigkeit können größere, im Wasser mitgeführte
Kornfraktionen nicht mehr weiter transportiert werden. Im Strömungsschatten kommt
es besonders an den Prallufern mit flussseitig steilem Anstieg und landseitig sanftem
Abfall zur Akkumulation und Ausbildung von Uferdämmen. Uferwälle entstehen durch
die Wanderbewegung der Mäander und der grobkörnigen Sedimentation an den
Gleithängen, die parallel zur Prallhangerosion verläuft und auch bei relativ hohen
Fließgeschwindigkeiten
stattfindet
(TITIZER,
KREBS
1996,
S.18).
Im
Untersuchungsgebiet bei Speyer lassen sich beispielhaft ausgebildete Uferwälle und
Uferdämme in der Rheinhausener Weide / Rathswörth erkennen.
Die strömungsbedingte horizontale Korngrössensortierung vertikaler Ablagerungen
ist aber nur einer der fluvialen, geomorphologischen Prozesse, welche zur
Ausbildung von wasserleitenden Sedimentschichten in der Mäanderzone führen.
Hält der Vorgang der Flussverlagerung durch Erosion und gleichzeitige
Sedimentation lange genug an, schert der Mäanderbogen immer weiter seitwärts aus
und krümmt sich asymmetrisch in Strömungsrichtung ein. Im Bogenscheitel der
Mäanderkrümmung lagern sich im Bereich der größten Strömungsgeschwindigkeiten
die gröbsten Sedimente, wie z.B. Kiese, ab. In seinem Ingestions- und seinem
Egestionsast entstehen aufgrund geringerer Fließgeschwindigkeiten sandige
Ablagerungen (SCHÄFER 1973a, S.13 ff.). Diese häufig quer zum Talverlauf von
den Seiten und von oben her mit Sanden eingefasste „Kiesdöme" sind im
Zusammenhang mit der oberflächennahen Grundwasserbewegung von Bedeutung
(siehe Abb. 15.). Sie wurden aber im Untersuchungsgebiet bereits größtenteils im
Zuge der Kiesgewinnung ausgeräumt (z.B. Binsfeld).
Die Verlagerung des Rheingerinnes vollzog sich aber nicht immer nur in Form eines
allmählichen Einschneidens in den Prallhang, sondern auch in Sprüngen. Es ist zu
unterscheiden zwischen progressiven und regressiven Sprüngen (SCHÄFER 1973a,
S. 24ff):
Ein progressiver Sprung führt zu einer Flusslaufverlängerung. Aufgrund plötzlich
erhöhter Wassermassen und größerer Erosionsenergie springt der Strom aus seiner
Bogenkrümmung heraus und sucht sich einen neuen, längeren Weg (siehe Abb.
Abb. 16. oben). Im Oberrheintal war der Auslöser progressiver Sprünge oftmals
Eisstauung. Das Dorf Rudolsheim wurde 1821 durch einen progressiven Sprung
zerstört und aufgegeben. Auch die Ausweitung der Mäanderbögen im Untersuchungsgebiet (Rheinhäuser Weide, Angelwald, Koller) erfolgte wahrscheinlich in
Form von progressiven Sprüngen.
Ein regressiver Sprung beendet das beständige Seitwärtswandern eines
Mäanderbogens. Die Ausweitung des Bogens verlängert den Talweg und vermindert
das Gefälle im Strombett solange, bis bei einem Hochwasser mit höherer
Strömungsenergie der Fluss sein Bett verlässt und sich in Richtung des größeren
Gefälles sein neues Bett gräbt. (Abb.16. unten). Ein Beispiel für einen regressiven
Sprung findet sich Ende des 16. Jh. bei Altrip, als der Rhein bei einem Hochwasser
seinen Lauf verkürzte.
Mit jedem progressiven oder regressiven Sprung entstehen stillgelegte Bogenteile
des Mäanders - die Altrheine. Altrheinarme stehen noch eine gewisse Zeit als mäßig
38
durchflossene Arme mit dem Hauptstrom in Verbindung. Aufgrund der in den Armen
nachlassenden Strömungsgeschwindigkeit stellen sie Sedimentationsräume
innerhalb des Gerinnes dar. Die Mündungen des Altrheins in den Hauptstrom
verschließen sich bereits lange vor der Verlandung des Bogens (siehe Abb. 17.). Der
Sedimentverschluss der Ingestion liegt zeitlich immer vor dem Verschluss der
Egestion. Deutlich ist dieser Vorgang im Untersuchungsgebiet an den bereits
vollständig verlandeten Ingestionen des otterstädter Altrheins (Böllenwörth) und der
Runkedebunk im Süden der Rheinhäuser Weide zu erkennen. Der Verschluss der
Ingestion erfolgt hauptsächlich bei Hochwasser durch grobkörnige Sedimente wie
Kiese und Sande, wogegen sich in der Egestion eher feinkörnige Sedimente wie
Sande und Tone ablagern (siehe Abb. 17.4.). Nach dem endgültigen Verlanden von
Ingestion und Egestion bleibt für lange Zeit ein beidseitig abgeschlossenes
Stillwasser (Sichelsee) erhalten, das nur bei starkem Hochwasser oberflächlich mit
frischem Wasser versorgt wird. Die weitere Verlandung erfolgt durch bei Hochwasser
eingetragene Feinsedimente und durch eigene Niedermoorbildung, die häufig in ein
Schilffeld übergeht.
Die Rheinauen unterlagen im Naturstromregime des Rheins aufgrund der oben
geschilderten fluviodynamischen Prozesse einem allmählichen aber beständigen
Wandel: Erosion durch den wandernden Strom, Sedimentation und Verlandung in
vom Fluss wieder verlassenen Gerinneteilen bis zu einer - manchmal erst nach
Jahrtausenden - erneut einsetzenden Erosion des Flusses in seine alten
Ablagerungen 11. Letztlich lässt sich die geomorphologische Wirkung des mäandrierenden Flusses mit gleichzeitiger, aber räumlich versetzter Erosion und
Sedimentation als ein "Durchpflügen" der älteren Schichtpakete aus früheren
Mäandersedimentationen beschreiben. Einst abgelagertes Sedimentationsgut wird
flussabwärts weggeführt, von oben kommende Sedimente lagern sich anstelle der
weggeführten ab. Die weiter unten in Abschnitt III.2. beschriebenen anthropogenen
Eingriffe verhindern seit Mitte des 19. Jh. die natürlichen Erosions- und
Akkumulationsprozesse im Fluss und führten zu schwerwiegenden Änderung der
geoökologischen Dynamik in der Aue. Dennoch ist die Kenntnis der einst wirksamen
geomorphologischen
Prozesse
bei
einer
Untersuchung
der
rezenten
Inundationsdynamik unerlässlich, da das durch sie gebildete räumliche Muster von
morphologischen Senken und Rinnen, von wasserleitenden und wasserhemmenden
Sedimenten noch heute das Auftreten von Überschwemmungsflächen (insbesondere
von Druckwasserflächen) und die Interaktion von Fluss und Grundwasser beeinflusst.
III.1.4. Interaktion von Fluss und Grundwasser
In den stark wasserdurchlässigen pleistozänen Ablagerungen der Oberrheinebene
bewegt sich das Grundwasser weitgehend frei und bildet eines der größten
Grundwasservorkommen Mitteleuropas (GALLUSSER, SCHENKER 1992, S.13).
Die Hydrogeologie der Oberrheinebene ist - wie bereits geschildert - durch einen
ausgeprägten Grundwasserstockwerksbau gekennzeichnet. Der größte Anteil des
Grundwassers stammt aus dem unterirdischen Zustrom von den Randgebirgen mit
hohen Niederschlagswerten (1000 -1200 mm). Maxima und Minima der
Grundwasserstände treten in Abhängigkeit von den Niederschlagsmengen in den
11
Bis zu ihrer vollständigen Verlandung waren vom Hauptstrom abgetrennte
Altrheinarme die am häufigsten überschwemmten Flächen der Rheinaue und
bevorzugte Eiablageplätze von Aedes vexans.
39
Randgebirgen mit etwa einem halben bis ganzen Jahr Verzögerung auf (SCHÄFER
1978, S.14).
Der Wasserstand der Rheinniederung wird unter natürlichen
Bedingungen vom Rheinwasserstand geprägt. Er dient dem Grundwasser als
Vorfluter, weshalb Wasserstandsänderungen im Fluss direkte Auswirkungen auf den
durchlässigen Grundwasserkörper haben: steigende Rheinwasserstände stauen
sogleich das in der Aue befindliche Grundwasser auf; tiefe Rheinwasserstände
ziehen beträchtliche Grundwassermengen aus der Ebene und den Auen ab. Bevor
mit der Rheinbegradigung die Tiefenerosion des Gerinnebettes einsetzte und ein
Großteil der Aue durch Dämme vom Strom abgeschnitten wurde, war die Interaktion
zwischen Flusswasser bzw. Uferfiltrat und dem Grundwasser erheblich größer als
heute – wenn auch das genaue Ausmaß nicht mehr genauer quantifiziert werden
kann. Heute macht sich der Grundwassereinfluss des Rheins lediglich bei großen
Hochwasserereignissen bzw. in Dammnähe und in den Grundwasserleitbahnen
verlandeter Altrheinarme bemerkbar.
Die Ausführungen in Abschnitt III.1.3. zeigten, das im Untersuchungsgebiet nicht von
einem homogenen holozänen Grundwasserkörper, sondern von einem komplexen
räumlichen Muster von wasserleitenden und wasserstauenden Sedimenten
auszugehen ist. Überall, wo der Rhein zusammenhängende Kiespakete ablagerte,
machen sich vom Rheinwasserstand induzierte hydraulische Änderungen rasch auch
in den weiter vom Strom entfernten Teilen der Niederung bemerkbar. Die
bedeutendsten Kiesablagerungen befinden sich in den Sedimentdömen entlang des
ehemaligen Bogenscheitels der Mäander sowie in den Strombetten der durch
regressive oder progressive Sprünge abgeschnittenen Mäander. Obwohl letztere
durch Verlandungsprozesse allmählich von z.T. mehrere Meter mächtigen,
wasserstauenden Auenlehmen bedeckt wurden, spielen sie nach wie vor als
Leitbahnen bei der Druckwasserflächenentsehung eine wichtige Rolle (siehe auch
SCHÄFER ,1973, S. 28 und MATTHES, 1958, S.18). Gerade in derartig gespannte
Grundwasserkörper
werden
Druckänderungen
aufgrund
von
Wasserstandsänderungen des Flusses rasch weitergegeben und können zu oberflächlichen
Druckwasseraustritten führen (MATTHESS, 1958, S.17). Während westlich des
Hochgestades die Grundwasserhöhenlinien etwa parallel zum Rhein laufen, die
Strömungsrichtung also senkrecht auf den Rhein zu gerichtet ist, wird der Verlauf der
Grundwassergleichen dagegen vorrangig durch die verschieden alten Rheinläufe
bestimmt (MATTHESS 1958. S.18). Auch nach der völligen Verlandung der
abgeschnittenen Mäanderbögen läuft in den Kiesen des alten Flusslaufs ein
beständiger Grundwasserstrom. Sie erfüllen in gewissem Umfang die Funktion eines
Vorfluters (MATTHESS 1958, S.28).
Aufgrund der wechselseitigen Beeinflussung von Rhein und Grundwasser stehen
also bei größeren, bzw. länger andauernden Hochwasserereignissen auch in
größerer Entfernung vom Fluss zahlreiche Senken und tieferliegende Geländepartien
der Rheinniederung unter Wasser. Im letzten Jahrhundert verwendete man den
Ausdruck „Quellwasser“ für diese Flächen (RIEHL 1857, S.11); bei den
Rheinanliegern und der KABS ist die Bezeichnung „Druckwasserflächen“ üblich, an
der Elbe spricht man von „Qualmwasser“. Diese Senken werden nun nicht durch den
ausufernden Fluss geflutet, sondern füllen sich durch aus dem Untergrund
aufquellendes Wasser. Während einem bestimmten Pegelstand relativ einfach das
Ausmaß der zugehörigen ufernahen, direkt überschwemmten Flächen über eine
Bestimmung der Höhenlage der betroffenen Flächen zugeordnet werden kann, wird
die Entstehung der Druckwasserflächen von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst
und ist nicht immer von der relativen Höhe der Senke zum Fluss abhängig. Obwohl
die Existenz von Druckwasserflächen jedem Auenanwohner geläufig ist, haben sie in
40
der fachlichen Literatur wenig und bei der behördlichen ÜberschwemmungsflächenAusweisung bisher keine Beachtung gefunden12. Dies ist umso erstaunlicher, da sie
in durch Dämme vermeintlich vor Wasser geschützten und entsprechend intensiv
genutzten Flächen auftreten und erhebliche Schäden anrichten. Einer der
wesentlichen Gründe für die mangelnde Beachtung dieses Phänomens dürfte in
ihrem schwer prognostizierbaren und seltenen Auftreten zu sehen sein. Ob und wo
Druckwasser austritt, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Zu nennen wären:
?? Wasserstandshöhe und Andauer des Hochwassers
?? Höhe des dem Hochwasserereignis vorausgehenden Grundwasserstandes,
bzw. Ausmaß der Wassersättigung des Bodens
?? Ausmaß des Grundwasserzustroms von der Rheintalniederterrasse bzw. der
Rheinniederung zum Rhein hin; genaue Fließrichtung der Grundwasserströme
?? Wasserleitfähigkeit des Untergrunds (z.B. Vorkommen von undurchlässigen
Auelehmen oder durchlässigen Kiesbahnen)
Die Frage, ob und wann bei einem Hochwasserereignis Druckwasserflächen
auftreten, ist für eine praxistaugliche Prognose von Inundationsflächen von
entscheidender Bedeutung: Druckwasserflächen waren 1999 im Hochwassergebiet
fast ausschließlich für die Onsideschäden an Gebäuden, Wegen und
landwirtschaftlichen Nutzflächen verantwortlich. Die Schäden entstanden auf
Flächen, die scheinbar vor Hochwasser durch Dämme geschützt waren und deshalb
in den letzten Jahrzehnten in zunehmendem Maße eine Nutzungsintensivierung
erfuhren (z.B. mehrere Gewerbegebiete in Speyer). Eine Identifizierung von
Druckwasserflächen ist ferner für die biologische Stechmückenbekämpfung
bedeutsam, da diese ideale Brutbedingungen für Stechmücken bieten13. Auf das
Vorhandensein der wechselseitigen Beeinflussungen von Grundwasser und Rhein
wird in der Literatur oftmals hingewiesen, eine systematische und quantitative
Bearbeitung dieses Themas ist bisher jedoch für den Oberrhein noch nicht erfolgt.
Aus diesem Grund kam der Beobachtung von Druckwasserflächen bei der
Datenaufnahme im Gelände ein besonderes Augenmerk zu. Erste Hinweise auf das
Ausmaß des Einflusses des Rheinwasserstandes auf den Grundwasserstand im
Untersuchungsgebiet geben die Arbeiten von MATTHESS anhand von
Grundwasserstandsmessungen auf der Ludwigshafener Parkinsel (MATTHESS
1958, S.14f). Die Ergebnisse dürften sich in etwa auch auf die Grundwassersituation
12
Mittlerweile haben die seit 1999 aufgetretenen großen Hochwasserereignisse am Oberrhein, an
Oder und nun an der Elbe zu einer Wahrnehmung des Problems geführt. Zu Beginn der
Promotionsarbeiten Anfang 1999 spielten Druckwasserflächen bei der behördlichen Raumplanung
noch keine Rolle.
13
Natürliche Fressfeinde der Stechmückenlarven wie z.B. Fische kommen dort nicht vor und das
Wasser erreicht selten Tiefen von mehr als einem Meter, weshalb das zunächst kalte Wasser sich in
den Sommermonaten leicht erwärmt. Vor allem aber reagiert der Wasserstand der
Druckwasserflächen nur verzögert und allmählich auf die Abflussänderungen des Rheins: Die
Brutstätten an den Ufern des Flusses werden rasch überschwemmt und fallen aber fast ebenso
schnell wieder trocken. In den Druckwasserflächen hinter den Winterdeichen haben die
Stechmückenlarven zumeist eine größere Chance, ihre Entwicklung zum Fluginsekt vor dem
Trockenfallen der Brutstätte zu beenden, da hier ein einmal erreichter Wasserstand auch bei einem
schnellen Abfall der Rheinwasserstände nur verzögert absinkt. Aufgrund ihrer unregelmäßigen bzw.
schwer vorhersehbaren Entstehung stellen Druckwasserflächen die für die biologische
Stechmückenbekämpfung am aufwendigsten zu handhabenden Flächen dar. Häufige Kontrollfahrten
von Mitarbeitern zu diesen Flächen sind notwendig, um den Zeitpunkt des Grundwasseraufquellens
und des Schlüpfens der Stechmücken nicht zu verpassen.
41
im Untersuchungsgebiet übertragen lassen: In der Nähe des Rheinufers (bis 30 m
Entfernung) zeigen die Grundwasserspiegelschwankungen eine direkte Abhängigkeit
vom Rhein, wobei ihre Amplituden nicht oder nur wenig geringer sind als die des
Rheines. In 30 bis 205 m zeigten die Messungen ein tägliches Mitgehen, die
entfernteren Punkte folgten in ihren Maxima und Minima dem Rhein mit einem Tag
Verzögerung nach (siehe Abb. 18.).
Die Druckwasserproblematik ist ein zentrales Thema dieser Arbeit und wird weiter
unten, bei der Diskussion der empirischen Ergebnisse noch eingehend behandelt,
weshalb dieses Thema hier nicht weiter vertieft werden soll.
Als weitere Einflüsse auf den Wasserstand der Oberen Grundwasserleiter sind
neben der Tiefenerosion durch die Rheinbegradigung die begleitenden
Meliorationsmaßnahmen und die Trink- und Brauchwasserentnahme zu nennen:
In den ausgedeichten Flächen sorgten die Meliorationsmaßnahmen für einen
weiteren Abfall des Grundwasserstandes. Zahlreiche Entwässerungsgräben von mit
Schleusen versehenen Auslasswerken führten austretendes Grundwasser rasch in
den Rhein ab. Die Rheinhäuser Weide auf Speyrer Gemarkung wurde im letzten
Jahrhundert sogar mit dampfbetriebenen Pumpen entwässert. Angaben über das
genaue Ausmaß der Grundwasserabsenkung durch diese Maßnahmen liegen nicht
vor.
Einen ebenso starken Eingriff in das Gefüge des Grundwassers stellen die Trink- und
Brauchwasserentnahmen des 20. Jh. dar. Das Grundwasser der nördlichen Oberrheinebene deckt den immensen Bedarf der öffentlichen Wasserversorgung der
Rhein-Neckar-Region fast vollständig. Die seit dem Anbeginn der regelmäßigen
Grundwassermessungen beständig sinkenden Wasserstände führten seit den
1970er Jahren zu intensiven Untersuchungen und Bilanzierungen der Grundwasservorräte in der Rheinebene. Die Grundwasserentnahme in der Vorderpfalz
(zwischen Speyer und Worms) belief sich 1965 auf etwa 63,5 Mio. m³, stieg bis 1976
auf 81,2 Mio. m³ an und sank bis 1983 wieder auf 65,8 Mio. m³ (MINISTERIUM FÜR
UMWELT BADEN-WÜRTTEMBERG, (1987), S.43). Der größte Teil des Wassers
wurde aus den tieferen Grundwasserleitern gefördert. Dennoch umfassten die
Wasserentnahme aus dem oberflächennahen Grundwasser 1983 etwa 14 Mio. m³.
Im Zeitraum 1973/1983 bewirkten die Entnahmen im Bereich Schifferstadt-WaldseeNeuhofen eine Absenkung des Wasserstands des Oberen Grundwasserleiters von
etwa 25 cm (MINISTERIUM FÜR UMWELT BADEN-WÜRTTEMBERG, (1987),
S.90). Die Verlagerung der Entnahmen vom oberflächennahen Grundwasser auf
tieferes Grundwasser im Wasserwerk Waldsee wird, sofern sich der Obere
Grundwasserleiter wieder regeneriert, langfristig wieder einen leichten Anstieg des
Grundwasserstandes und eine leichte Zunahme der Druckwasserflächen zur Folge
haben. Bei Speyer dürfte gegenüber den 60er und 70er Jahren infolge der
Rücknahme der Grundwasserförderung des Wasserwerks Speyer sowie der
Stillegung der Erdölraffinerie Speyer und der damit verbundenen Einstellung der
Förderung des Betriebswassers ein Anstieg des Grundwasserspiegels und folglich
auch eine leichte Zunahme der Druckwasserflächen eingetreten sein
(MINISTERIUM FÜR UMWELT BADEN-WÜRTTEMBERG (1987), S.90).
III.1.5. Abflussregime des Rheins
Das Abflussverhalten des Rheins im Oberrheingebiet ist von seinem alpinen
Einzugsgebiet bestimmt. Hochrhein und südlicher Oberrhein verfügen über ein
42
glaziales Abflussregime Abbildung mit einer hohen mittleren Wasserführung in den
Monaten Mai bis August. Verantwortlich für die hohen sommerlichen Wasserstände
ist die Schneeschmelze in über 1800 m in den Alpen. Die Alpenrandseen üben
einen dämpfenden Einfluss auf die Abflussschwankungen aus. Der Einfluss der
randlichen Mittelgebirge (Vogesen und Schwarzwald) ist relativ bescheiden. Die
Seitenzuflüsse aus den Vogesen (Ill, Moder, Sauer) und dem Schwarzwald (Wiese,
Dreisam, Murg, Kinzig) haben bei Hochwasser allerdings zusammengenommen
einen nachweisbaren Einfluss auf die Wasserführung des Rheins (GALLUSSER,
SCHENKER 1992, S.11). Ab Mannheim wird der Einfluss des Neckars deutlich; das
Abflussregime des Rheins weist im Untersuchungsgebiet deutlich nivo-glaziale Züge
auf.
Trotz eines insgesamt ausgeglichenen Abflusses verfügt der Rhein für einen Fluss
dieser Größe über erstaunlich große Schwankungen. Seit 1921 ergaben sich am
Pegel Maxau folgende Abflusswerte:
niedrigster gemessener Wert:
höchster (amtlich) gemessener Wert:
mittlerer täglicher Abfluss:
340 m³/s
4540 m³/s
1252 m³/s
Das ergibt ein Abflussverhältnis von ca. 1:4:13.
Für die Abflussverhältnisse im eigentlichen Untersuchungsgebietes ist eine
Betrachtung der Pegel Maxau und Speyer von Interesse – der Pegel Speyer, weil er
inmitten des Untersuchungsgebietes liegt und der Pegel Maxau, weil er außerhalb
des Rückstaubereichs des Neckars lokalisiert ist und eine bis in das Jahr 1889
zurückreichende Messreihe aufweist.
In Abb. 19. sind die Wasserstandsganglinie der Pegel Maxau und Speyer, berechnet
aus den mittleren täglichen Wasserständen des Zeitraums 1948/1997, dargestellt.
Das glaziale Abflussregime des Rheins im Untersuchungsgebiet ist wiederum an den
hohen durchschnittlichen Tageswasserständen in Juni und Juli und den
Niedrigwasserständen im Winter ablesbar. Die täglichen Durchschnittswerte von
Abfluss und Wasserstand geben aber noch keine Hinweise auf die jahreszeitliche
Verteilung der hohen und extremen Wasserstände. In Abb. 20. ist für jeden
Kalendertag aufgeschlüsselt, wie oft seit 1889 der Pegelstand von 7m, - das
entspricht einem Wasserspiegelanstieg von mehr als 2m ü. MW 1948/97 -, erreicht
wurde. Es wird deutlich, dass hohe Wasserstände nicht nur auf die generell
abflussreichen Sommermonate beschränkt sind: Hohe Wasserstände mit mehr als
2m ü. MW 1948/97 traten in den letzten hundert Jahren gehäuft Ende November bis
Anfang Januar, Mitte Februar bis Mitte März sowie von Mitte Mai bis Mitte Juli auf.
Eine häufige Ursache für die Hochwasserereignisse in Februar und März sind
westliche Tiefausläufer, welche in einer Verbindung von Niederschlägen im
Einzugsgebiet mit einem Abschmelzen des Schnees in den Randgebirgen und den
niederen Lagen der Alpen extreme Abflüsse bedingen. Die sommerlichen
Spitzenhochwasser entstehen durch die Überlagerung der durchschnittlich hohen
Wasserführung des Rheins mit ausgiebigen Niederschlägen im weiteren
Einzugsgebiet (GALLUSSER, SCHENKER 1992, S.12). Die Dezemberhochwasser,
auch „Advents-Hochwasser“ genannt (SCHÄFER 1978, S.11), entstehen oft durch
die Kombination von Niederschlägen mit mehrmaliger Schneeschmelze in den
niederen Höhenlagen aufgrund von Warmlufteinbrüchen der „WeihnachtsWestwetterlage“.
43
Langanhaltender, ergiebiger und verbreiteter Regen im Einzugsgebiet stellt am
Rhein die wesentliche meteorologische Voraussetzung für Hochwasser dar. Solche
Ereignisse können durch die Erhöhung des Abflusses von Regenwasser auf
gefrorenem oder wassergesättigtem Boden oder durch entsprechenden Vorregen
noch verstärkt werden. Eine plötzlich eintretende, umfassende Schneeschmelze
durch Regenfälle, hohe Temperaturen und starken Wind kann die Gefahrensituation
erhöhen (SCHÖNWIESE 1997, S.3). Ein gutes Beispiel hierfür sind die
Witterungsverhältnisse, welche das verheerende Hochwasser von 1882/83
auslösten.
Durch die Dokumentation der Ereignisse im „Jahresbericht des Centralbureaus für
Meteorologie und Hydrographie im Grossherzugtum Baden“ handelt es sich um eines
der am besten überlieferten historischen Hochwasserereignisse am Oberrhein
(CENTRALBUREAU FÜR METEOROLOGIE DES GROßHERZUGTUMS BADEN
1883, S.61-64):
Ende November ließen starke Regenfälle in Verbindung mit dem Abschmelzen des in
den vorangegangenen Tagen gefallenen Schnees den Rhein anschwellen. Der
Mittelrhein am Zufluss von Main, Nahe, Lahn und Mosel wurde besonders betroffen.
In Maxau wurde als Maximalwasserstand 710 cm erreicht (CENTRALBUREAU FÜR
METEOROLOGIE DES GROßHERZUGTUMS BADEN 1883, Beilagen 3a, S.69).
Nach dem Absinken der Wasserstände trat eine Frostperiode ein, so dass der
wassergesättigte Boden, wo er noch nicht mit Schnee überdeckt war, gefror. Ab dem
21. Dezember fielen außergewöhnlich starke Niederschläge mit einem Niederschlagsmaximum am 26/27 Dezember. Das Maximum der Niederschläge lag im
Schweizer Jura, im Alpenvorland und im Schwarzwald. In drei Tagen fielen
beispielsweise in Höchenschwand im Schwarzwald 213 mm. Zugleich trat bei
stürmischen südwestlichen Winden eine rasche Erwärmung ein. In Karlsruhe stieg
das Thermometer auf 11°C an. Zu den Niederschlägen kam infolgedessen ein
schnelles Abschmelzen großer Schneemassen bei größtenteils gefrorenem und mit
Wasser gesättigtem Boden. Während der Bodensee kaum anstieg, erreichte den
Rhein über die Aare eine beträchtliche Hochwasserwelle, die durch die Gewässer
des Schwarzwaldes und der Vogesen noch verstärkt wurde. Am Pegel Maxau
erreichte der Abfluss seinen größten bisher gemessenen Wert von 4610 m³/s; der
Wasserstand erreichte 825 cm.
Während in den Massenmedien und der Öffentlichkeit vor allem Extremwasserstände
mit oftmals katastrophalen Sach- und Personenschäden wahrgenommen werden,
sind für ökologische Untersuchungen, die biologische Stechmückenbekämpfung oder
Belange der Renaturierung und Landschaftspflege in Flußauen vor allem die
kleineren Inundationsereignisse mit weit höherer Eintrittswahrscheinlichkeit von
Interesse.
Da aber die auenökologisch interessanten Flächen (sowie die Mehrzahl der Aedes
vexans Brutstätten, die bei 1,7 m bis 1,8 m ü.MW. liegen) nicht in den
Überschwemmungsflächen der Extremhochwasser mit Eintrittswahrscheinlichkeiten
von über 100 Jahren sondern im Bereich der jährlich oder mehrmals im Jahr
eintretenden Hochwasser liegen, ist auch eine Betrachtung der Entwicklung der
Wasserstände zwischen 0,5 und 3m ü. MW. notwendig.
In Abb. 21. ist für den Pegel Maxau für jedes Jahr seit 1889 die Anzahl der Tage
aufgeführt, an denen ein Tageswasserstand von 725cm überschritten wurde. Der
Pegelstand von 725cm entspricht einer Erhöhung des Wasserspiegels über dem
Mittelwasserstand 1948/97 von rund 250 cm (zum Vergleich: Das
44
Jahrhunderthochwasser 1882/83 erreichte am Pegel Maxau einen Wasserstand von
825cm). Die Abbildung macht deutlich, dass derartige Wasserstände bis in die
1940er Jahre hinein ein seltenes Ereignis darstellten. Seit den 1950er Jahren sind
Wasserstände über 725cm bereits etwas häufiger zu verzeichnen und mit dem Jahr
1977 kehrt sich das Bild geradezu um. Waren Wasserstände von mehr als 2,50m ü.
MW 1948/97 zuvor ein seltenes Ereignis mit einer Jährlichkeit von mehr als 3
Jahren, so werden sie nach 1977 zu einem fast jährlich wiederkehrenden Ereignis.
Die Frage nach der Ursache für die soeben dargelegte, statistisch eindeutig
nachweisbare Zunahme erhöhter Wasserstände ist nicht Gegenstand der
vorliegenden Arbeit, muss aber hier aufgrund Ihrer Bedeutung für die künftige
Inundationsflächenentwicklung kurz gestreift werden. Interessanterweise zeigt die bis
1889 zurückreichende Messreihe am Pegel Maxau, dass die Hochwasserereignisse
mit den höchsten Abflüssen keineswegs diejenigen mit den höchsten Wasserständen
waren. Ein Blick auf Tab. 4., in der die größten Hochwasserereignisse seit Beginn
der Messungen in Maxau aufgetragen sind, zeigt, dass bei den
Hochwasserereignissen der letzten Jahrzehnte bei etwa gleich großen gemessenen
Abflüssen die Wasserstände deutlich höher waren. So lag der maximale
Wasserstand des Hochwassers vom Dezember/Januar 1882/83 um 50cm unter dem
des Hochwasserereignisses vom Mai 1999– und das, obwohl 1882/83 der Abfluss
um ca. 70m³/s höher war als 1999! Dies belegt anschaulich, dass die Veränderungen
des Rheingerinnes zumindest zum Teil für die Entwicklung mitverantwortlich sind.
Am wahrscheinlichsten ist deshalb eine Kombination von sowohl klimatischen
Veränderungen (statistisch nachweisbare Zunahme der Starkniederschläge im
Einzugsgebiet; s.u.) als auch anthropogen bedingten Verluste der natürlichen
Überschwemmungsflächen (die Staustufe Iffezheim wurde 1977 in Betrieb
genommen; s.u.).
III.1.6. Einfluss des Klimas die Hochwasserdynamik im
Untersuchungsgebiet
Sind die Ursache der Hochwasserhäufung klimatische Änderungen im Einzugsgebiet
des Flusses? Haben sich die Niederschlagsmengen bzw. ihre räumliche oder
jahreszeitliche Verteilung im Einzugsgebiet verändert und korrelieren diese
Veränderungen mit der Hochwasserdynamik?
Mit den im Rheingebiet vorherrschenden westlichen Winden überqueren atlantische
feuchte Luftmassen aus Südwesten bis Norden Mitteleuropa. Ihre Ausläufer
beeinflussen das südliche Rheingebiet zwar nur schwach,
beim Auftreten von
Westwetterlagen fallen im Winter jedoch überdurchschnittliche Niederschlagsmengen. Besonders bei Luftströmungen aus Südwesten treten vor allem am
Oberrhein infolge der staubedingten Niederschläge Hochwasserereignisse auf. In
den Alpen ergeben sich dann in den höheren Lagen dauerhafte Schneedecken oder
starke Regenereignisse (ENGEL 1997, S.12). Als Beispiel hierzu sei auf die weiter
unten näher beschriebenen Starkniederschläge im Einzugsgebiet der Aare
verwiesen, welche das Pfingsthochwasser 1999 verursachten. Die Entwicklung der
historischen Witterungsverhältnisse und deren Einfluss auf die Entstehung von
Extremabflüssen des Rheins hat KRAHE untersucht (KRAHE 1997, S. 57ff). Die
Arbeit bezieht sich allerdings überwiegend auf die Hochwassersituation am Mittel-
45
und Niederrhein. Sie vermittelt aber dennoch einen Eindruck vom Klimawandel im
Einzugsgebiet des Oberrheins:
KRAHES Auswertung der historischen Klimaschwankungen und der Hochwasserentwicklung zeigt, das stärkere Sommerhochwasser am Mittel- und Niederrhein
seit den letzten Jahrzehnten des 16. Jh. kaum noch eine Rolle spielen. In den
Jahrhunderten davor scheinen sie öfter aufgetreten zu sein und führten mitunter zu
erheblichen Schäden. Die Witterung der hydrologischen Winterhalbjahre weist im
Rheingebiet eine große natürliche Variabilität auf. Einzelne extreme Winter (z.B.
streng und trocken, kalt und schneereich, mild und niederschlagsreich) können
gehäuft sowohl von Jahr zu Jahr variieren, als auch von Jahrzehnt zu Jahrzehnt.
Dennoch lassen sich für die jüngere Geschichte drei Zeitabschnitte nachweisen, in
denen ein bestimmter Witterungstyp dominierte (KRAHE 1997, S.80f):
a) Mittelalterliches Klimaoptimum: Zur Zeit des mittelalterlichen Klimaoptimums gab
es mehrere Perioden, in denen warme und niederschlagsreiche Winter vorherrschten. Die Winter scheinen gegenüber den heutigen wärmer, die Niederschläge
dagegen geringer ausgefallen zu sein. Extreme Hochwasser traten in diesen Wintern
seltener auf.
b) Kleine Eiszeit: Für die kleine Eiszeit sind Gruppen außerordentlicher Strengwinter
nachgewiesen. In diesen dominierten die Eishochwasser, deren Hauptursache aber
nur teilweise in extremen Niederschlägen zu suchen sind. Es häuften sich kalte und
schneereiche Winter, die zu Zeiten der Schneeschmelze zu extremen Hochwassern
führten.
c) 20. Jahrhundert: Die letzten 100 Jahre sind durch die außergewöhnlich große
Anzahl warmer und niederschlagsreicher Winter geprägt, was die große
Hochwasserhäufung dieses Jahrhunderts mit erklären könnte.
Hinsichtlich der für Mitteleuropa im Verlauf der letzten 100 Jahre festgestellten
Zunahme der mittleren Jahrestemperaturen (0,6-0,7°C) weist ENGEL bei seiner
Ursachenanalyse der Rheinhochwasser einen Zusammenhang zwischen
Temperaturerhöhung, Niederschlagserhöhung bzw. -umverteilung und Zunahme des
Rheinabflusses hin (ENGEL 1997, S.16f): Die niedrigsten (NQ) und höchsten (HQ)
Abflüsse verschiedener Rheinpegel zeigen seit 1891 ansteigende Tendenzen.
Allerdings verläuft die Entwicklung alternierend, gelegentlich durch mehrere Phasen
des Rückgangs unterbrochen. Die Entwicklung der Jahresniederschlagssummen für
das Rheingebiet und die der Abflüsse weist deutliche Parallelen auf; das heißt:
neben gleicher Gesamttendenz lassen sich auch gleiche Einzelphasen abgrenzen.
Im Auftrag der LfU wurden unter der Leitung von SCHÖNWIESE die langfristigen
Veränderungen des Niederschlags in Baden-Württemberg für den Zeitraum 1891 bis
1994 untersucht. Auch hier kam man zu den gleichen Ergebnissen (siehe
SCHÖNWIESE 1997): Für das Sommerhalbjahr konnten keine nennenswerten
Veränderungen des Niederschlags festgestellt werden. Die Niederschlagsmenge im
Winterhalbjahr hat dagegen in den letzten 100 Jahren deutlich zugenommen; im
Mittelgebirge um maximal 100 bis 200mm. Auch die Jahresniederschlagsmenge
erhöhte sich signifikant. Insgesamt ist ein Trend zu Extremereignissen feststellbar: In
den letzten 60 Jahren hat die Häufigkeit der winterlichen Starkniederschläge in fast
ganz Baden-Württemberg signifikant zugenommen (SCHÖNWIESE 1997, S.1ff).
Es ist nach diesen Untersuchungen also davon auszugehen, dass in den letzten 100
Jahren die Niederschlagsmengen im Winter angestiegen und im Sommer eher
gleichgeblieben sind. Eine tiefergehende Betrachtung der historischen,
46
niederschlagsbedingten Abflussänderungen des Oberrheins und mögliche zukünftige
Veränderungen würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen14.
Da auch lokale Niederschläge hochwasserunabhängig einen, wenn auch geringen,
Einfluss auf die Grundwasserspeisung und die Entstehung von Überschwemmungsflächen haben können, sei im folgenden noch ein kurzer Blick auf die
Niederschlagsverhältnisse im Untersuchungsgebiet selbst geworfen:
Das Klima der Vorderpfalz ist geprägt durch milde Temperaturen und den
Regenschatten der westlichen Gebirge (Haardt, Pfälzerwald). Der Einfluss von
autochthonen Niederschlägen und oberflächlicher Abflüsse auf den Wasserstand des
Rheins
ist vernachlässigbar. Die höchsten Niederschlagswerte werden im
Sommerhalbjahr (Höchstwert August) oftmals in Form von heftigen
Konvektionsniederschlägen erreicht. Den größten Anteil an der Grundwasserneubildung haben die Niederschläge in den benachbarten Randgebirgen. Die
Niederschläge im Lee des Pfälzerwaldes liegen im langjährigen Mittel (1960/83)
unter 550 mm, während westlich in Haardt und Pfälzerwald zwischen 700 mm und
900 mm gemessen werden (MINISTERIUM FÜR UMWELT BADENWÜRTTEMBERG 1987, S.34). Nach Osten steigen die Niederschlagssummen auf
650 mm, in der Luvlage des Odenwaldes auf über 800 mm an. Neben der Höhe des
Niederschlags ist vor allem die Intensität und die jahreszeitliche Verteilung der
Niederschläge maßgeblich für die Größenordnung der Grundwasserneubildung. In
der Regel sind die im Winterhalbjahr fallenden Niederschläge maßgebend.
Außerhalb der Vegetationsperiode kann bei geringer Evapotranspiration ein hoher
Prozentsatz des Niederschlags in den Untergrund einsickern. Die geringen und
ungünstig verteilten Niederschläge der Vorderpfalz (Niederschlagsmaximum im
Sommerhalbjahr) sind kaum in Form von oberflächlichem Abfluss und Grundwasserbildung wirksam. Vielmehr geben die in den Gebirgen entspringenden Bäche
der Vorderpfalz noch Wasser an den Oberen Grundwasserleiter ab, bevor sie in den
Rhein münden. Nach LEHR beträgt der Wasserverlust des Speyerbachs zwischen
seinem Eintritt in die Rheinebene und der Mündung in den Rhein in Speyer etwa
17% (LEHR in MATTHESS 1958, S.13). Wichtigster Grundwasserspeiser der
Rheinebene sind deshalb die Grundwasserzuflüsse von den Randgebirgen.
Länger anhaltende Trockenheits- bzw. Niederschlagsperioden beeinflussen den
Grundwasserstand in der Rheinebene erst mit einer Verzögerung von etwa einem
halben bis ganzen Jahr (SCHÄFER 1978, S.14a).
14
Es sei hier auf die Arbeiten von WILDENHAHN (1986); KRAHE; LIEBSCHER und WITTE (1988);
BARDOSSY und CASPARY (1990) und (1995), WEIGL (1996); SCHÖNWIESE (1997) sowie
BRONSTERT (1996) und (1997) verwiesen
47
III.2. Anthropogene Veränderungen
Aufgabe dieses Abschnittes ist es, die anthropogenen Eingriffe und ihre Folgen für
die Inundationsflächendynamik im Untersuchungsgebiet darzustellen. Die
schwerwiegendsten Folgen bestanden und bestehen in direkten Eingriffen wie z.B.
die künstliche Verlegung des Gerinnes, der Unterbindung fluvialer Erosions- und
Sedimentationsprozesse durch Uferbefestigungen und Ausbaggerung des
Flussbettes, den Bau von Staustufen, die großflächige und tiefreichende
Kiesentnahme, die Errichtung von Dämmen und der Verbauung der Altaue mit
Gewerbe-, Industrie-, Freizeit und Siedlungsflächen, der Errichtung von
Entwässerungsgräben sowie der Entnahme von Grundwasser. Ferner wären noch
großflächige Veränderungen im Einzugsgebiet des Flusses zu nennen, welche
Einfluss auf den oberflächlichen Abfluss von Niederschlägen haben wie z.B.
Veränderungen der Vegetationszusammensetzung durch die land- und
forstwirtschaftliche Nutzung oder Oberflächenversiegelung.
In chronologischer Folge wird im folgenden die Geschichte der anthropogenen
Eingriffe und ihre Auswirkungen unter den Aspekten für die Forschungsfrage
relevantesten Aspekten (Intensivierung der Landnutzung, wasserbauliche
Maßnahmen und Besiedlung der Aue) für das Untersuchungsgebiet zusammengefasst:
Anthropogen bedingte Veränderungen der Hydrogeographie des Rheins lassen sich
- zunächst vor allem durch Veränderung der Vegetationsbedeckung im Einzugsgebiet (z.B. durch Waldrodung) beschränkt - bis in die Jungsteinzeit nachweisen.
Untersuchungen der Auesedimente ergaben mit der Entwicklung der Agrarlandschaft
korrelierende Phasen verstärkter Sedimentation. Archäologische Funde, welche auf
eine ackerbauliche Nutzung der Aue selbst schließen lassen, sind auf ca. 4000
v.Chr. datiert (MUSALL 1969 S.39).
Aus der Steinzeit sind Siedlungen in den Wäldern der Aue und vor allem auf dem
Hochgestade bekannt; für den nördlichen Oberrhein sind Pfahlbauten und Grabhügel
aus der Hallstattzeit (800-400 v.Chr.) nachgewiesen (TITTIZER, KREBS 1996, S.
23). Keltische Besiedlungsspuren finden sich aber auch in der Aue selbst wie z.B. die
Huttenheimer Grabhügel belegen. Trotz dieser frühen Hinweise auf Ackerbau und
Besiedlung im Auebereich ist davon auszugehen, dass die Aue sich weitestgehend
noch im Naturzustand befand bzw. extensiv genutzt wurde: Die Rheinniederung war
aufgrund ihrer häufigen Überschwemmung und Durchnässung für den Ackerbau
kaum geeignet, wenn auch die fruchtbaren Böden Ackerbauern immer wieder
anzogen. Die vorherrschende Art der Landnutzungen wie Waldweide, Jagd bzw.
Fischfang sowie Holzentnahme aus den Auwäldern dürften bis zu Beginn des
Mittelalters ohne nennenswerte Auswirkungen auf das natürliche Gerinnebett des
Rheins geblieben sein.
Mit der Eisenzeit und vor allem seit dem Eindringen der Römer lässt sich dagegen
eine verstärkte Auelehmbildung in der Rheinniederung nachweisen, die auf eine
Rodung der Wälder im oberen Einzugsgebiet bzw. verstärkte Bodenerosion
hindeutet. Pollenanalysen zufolge war in weiten Teilen des römischen Germaniens
der Anteil des Kulturlandes ähnlich hoch wie heute (TITTIZER, KREBS 1996, S. 24.).
Um etwa 100 v.Chr. erreichten die Römer den Bereich des Untersuchungsgebietes
und begannen mit der Gründung von Militärlagern, aus denen oftmals blühende
Städte und Siedlungen hervorgingen (z.B. Civitas Nemetum / Spira / Speyer; Alta
Ripa / Altrip) und den für die römische Besiedlungspolitik so typischen Einzelhöfe
(Villa Rustika). Der Rhein hatte als Schiffahrtsweg eine wichtige Verkehrsfunktion
48
inne, stellte durch die Hochwassergefahr aber auch eine Bedrohung der flussnahen
Siedlungsstandorte dar. So verwundert es nicht, dass sich die römischen Siedlungen
fast ausschließlich am Rande des Hochgestades befanden. Besonders günstig
waren Standortsituationen wie in Speyer, wo das Hochgestade nur wenige Hundert
Meter vom Hauptstrom entfernt lag. Der vermutlich erste Versuch einer künstlichen
Laufverlegung des Rheins – die heute als „Oder“ bezeichnete längliche, isolierte
Wasserrinne nordöstlich von Speyer - wird ebenfalls den Römern zugeschrieben. Mit
dem Untergang des römischen Reiches verringerte sich die Einwohnerzahl
zahlreicher Siedlungen. Siedlungskontinuität ist nur für die größeren Siedlungen
nachweisbar und vor allem im ländlichen Raum wurden zahlreiche Einzelhöfe
aufgegeben, die landwirtschaftliche Nutzfläche verringert oder zumindest
extensiviert. Sollten römische Gutshöfe oder Wirtschaftsgebäude in der
Rheinniederung des Untersuchungsgebietes bestanden haben (archäologisch sind
bisher meines Wissens keine nachgewiesen worden), so ist davon auszugehen, dass
sie in dieser Phase des kulturellen und ökonomischen Niedergangs aufgegeben
wurden.
Die fränkisch-allemanische Landnahme stellte die nächste große Siedlungsgründungsphase im Untersuchungsgebiet und den Ursprung der meisten dörflichen
Siedlungen auf der angrenzenden Niederterrasse dar. Die –heim Endungen
zahlreicher Ortsnamen vor allem im rechtsrheinischen Bereich weisen auf ihren
Ursprung hin (z.B. Hockenheim, Altlußheim, Oftersheim). Ihr frühes Bestehen ist wird
oft durch den Lorscher Kodex aus dem 8./9. Jahrhundert belegt. Auch die Aue selbst
wurde in dieser Phase zum Siedlungsraum und wurde verstärkt landwirtschaftlich
genutzt (MUSALL 1969, S.43) Mit Beginn der Karolingischen Rodungspolitik und
dem hochmittelalterlichen Bevölkerungswachstums wurden von 800-1200 n.Chr. die
oberrheinischen Hartholzauewälder gerodet. Die Folge der Rodungen war eine
Erosion, die wiederum eine verstärkte Bildung von Auelehmdecken und Uferwällen
nach sich zog. Die Wald-Feld-Flächenverteilung hatte sich vom 7. Jh. mit ¾ Wald zu
¼ Feld bis ins 13. Jh. in ein Verhältnis von ¼ Wald zu ¾ Feld umgekehrt (TITTIZER,
KREBS 1996, S. 24.).
Zwischen 1300 und 1770 machte sich die feucht-kühle Klimaperiode der
sogenannten kleinen Eiszeit mit erhöhten Niederschlagsmengen und intensiven
Laufveränderungen am Oberrhein bemerkbar. MUSALL spricht von zwei auffälligen
Perioden starker Laufveränderungen: Die erste beginnt nach der Mitte des 16. Jh.
und läuft nach einem Höhepunkt um die Jahrhundertwende Mitte des 17. Jh. aus; die
zweite Periode beginnt in der ersten Hälfte des 18. Jh. und reicht bis zur Tullaschen
Korrektion (MUSALL 1982, S. 26f). Die Rheinniederung erfuhr trotz der Hochwassergefahren in der mittelalterlichen Ausbauphase eine weitere Besiedelung, vor
allem durch Einzelhöfe. Doch im Spätmittelalter ist erstmals wieder ein deutlicher
Siedlungsrückgang zu konstatieren. Die zumeist älteren Siedlungen auf den
Hochgestaden konnten sich halten; zahlreiche jüngere Siedlungen in der Aue wurden
dagegen zerstört oder aufgegeben. Seit dem 14. Jh. sind erstmals künstliche
Laufveränderungen des Flusses in Form von Durchstichen für den Oberrhein
nachweisbar: Liedolsheim 1391, Germersheim 1396, Neuportz 1515, Jockgrim 1541,
Kembs 1560, Daxlanden 1625 und Dettenheim 1762 (MUSALL 1982, S. 22 und
25ff). Es bleibt aber anzumerken, dass diese Schlingendurchstiche keinen Bestand
gegen die natürliche Flussdynamik hatten und der Einfluss des Menschen auf die
Abflussdynamik des Rheins eher indirekt aus einer Veränderung der
Vegetationszusammensetzung und Rodungen im Einzugsgebiet resultierte.
Trotz dieser langen Geschichte menschlicher Siedlung und Nutzung sei nochmals
betont, dass die Rheinaue um 1600 noch wenig landwirtschaftlich genutzt wurde –
49
Wälder und Grünland dominierten das Erscheinungsbild der Aue. Ackerbau erfolgte
in der Rheinniederung wahrscheinlich lediglich in geringem Ausmaß auf durch
Ringdämme vor Hochwasser geschützten Dammfeldern bzw. auf den wenigen
erhöhten und weitestgehend druckwassersicheren Standorten. Waren diese
Ackerflächen auch klein und die Dammerrichtung vergleichsweise aufwendig, so
lieferten sie aufgrund der fruchtbaren Auelehme doch überdurchschnittliche Erträge
(JAKOBS 2002, S.40f).
Das 17. Jahrhundert war geprägt durch die Verwüstungen des Dreissigjährigen
Krieges, denen mit einer kurzen Friedenspause der Pfälzische Erbfolgekrieg
nachfolgte. Die Bevölkerungszahlen gingen in dieser vom Krieg stark betroffenen
Region zurück;
Siedlungen wurden zeitweilig sogar aufgegeben und die
landwirtschaftlichen Nutzung der ohnehin wenig intensiv genutzten Aue ging zurück.
Die Kriegswirren hatten auch eine Vernachlässigung der Hochwasserschutzmaßnahmen zur Folge. Die dezimierte Bevölkerung war nicht mehr in der
Lage, die vorhandenen Wasserschutzbauten zu erhalten. Die Dämme wurden
beschädigt und zerfielen bei den großen Hochwasserereignissen, die besonders
nach der Mitte des 17. Jahrhunderts auftraten. Von den Kriegseinwirkungen waren
auch die Altrheine betroffen. Wegen ihrer wichtigen Funktion als Fischgründe
genossen sie in Friedenszeiten eine ständige Pflege und Säuberung. In Kriegszeiten
schritten dagegen die Verlandungs- und Verwilderungsprozesse wieder stärker voran
(MUSALL 1971, S.655).
Die bisherigen Ausführungen zeigten, dass die Aue bis zum Ende des 17.
Jahrhunderts nur in vergleichsweise geringem Ausmaß genutzt wurde. Siedlungen
(v.a. Einzelhöfe) existierten in der Rheinniederung nur in wenigen Einzelfällen und
wasserbauliche Maßnahmen wie Dämme und künstliche Verlegungen des Gerinnes
hatten nur lokalen Charakter ohne nennenswerten Einfluss auf die fluviale Dynamik
des gesamten Flusses.
Die erste Phase intensiver Kultivierung begann erst mit der Beruhigung der
politischen Lage im 18. Jahrhundert. Vor allem das starke Bevölkerungswachstum
zog eine Intensivierung bzw. Neugewinnung von Anbauflächen nach sich. Das
Ackerland wurde in der Aue auf Kosten der Auewälder und des Grünlandes deutlich
ausgeweitet. Auch das Grünland selbst erfuhr durch Entwässerungsmaßnahmen
eine deutliche Zunahme des Anteils von Wiesen gegenüber den oft nassen Weiden
und Bruchländereien. Gleichzeitig ermöglichte die Erschliessung neuer
Grünfutterflächen und vor allem die Einführung neuer Futterpflanzen in der
Viehhaltung eine Verschiebung weg von der Weidewirtschaft hin zur Stallfütterung.
Zur Intensivierung der Landwirtschaft trug auch die Einführung von Tabak und
Kartoffel bei. Die Ausweitung der landwirtschaftlichen Nutzfläche auf die Aue wird
auch durch die Gründung zahlreicher Einzelhöfe in der Aue deutlich (JAKOBS 2002,
S.41).
Eine Bedrohung des neugewonnenen Kulturlandes durch Rheinhochwasser war aber
selbstverständlich weiterhin gegeben. Mitte des 18. Jahrhunderts heißt es, der Rhein
breche zwischen Selz und Mannheim an so vielen Stellen ein, dass man sich darauf
beschränken müsse, die gefährlichsten zu suchen und zu schützen. Bei Ketsch wird
berichtet, der Rhein dringe hier stark auf das „hohe rote, sandige Ufer“ ein und
nehme täglich davon viel hinweg (MUSALL 1971, S.655). Die nicht in einem
grossräumigen Zusammenhang stehenden einzelnen Massnahmen wie vereinzelte
Uferbefestigung, Dammbauten oder Bettverlegungen blieben in ihrer Wirkung nach
wie vor lokal begrenzt.
50
Dies war die Situation, bevor Anfang des 19. Jahrhunderts das „Jahrhundertprojekt“
der Rektifikation des Stromes nach den Plänen von Tulla in Angriff genommen
wurde.
III.2.1. Die Oberrheinkorrektion und ihre Folgen im Untersuchungsgebiet
Die seit dem 19. Jahrhundert im Untersuchungsgebiet durchgeführten wasserbaulichen Veränderungen hatten erheblichen Einfluss auf die Hydrodynamik der
Inundationsflächen, weshalb sie im folgenden genauer abgehandelt werden.
III.2.1.1 Erste Regulierungsmaßnahmen im Untersuchungsgebiet
Der Versuch der Menschen, die natürliche fluviale Dynamik des Flusses zu
bändigen, korrelierte seit jeher mit der Kultivierung der Flussaue. In dem Maße, wie
die Kultivierung und Besiedlung der Rheinniederung vorangetrieben wurde, wuchs
auch das Bedürfnis, neugewonnenen Flächen vor Hochwasser zu schützen. Vor
Tulla waren bereits eine Reihe von lokalen Maßnahmen zur Flussregulierung in
Angriff genommen worden:
Den Römern wird bereits ein versuchter Durchstich bei Speyer (sog. Oder)
zugeschrieben, ohne dass allerdings eindeutige Beweise hierfür vorliegen. Der erste
nachweisbare Durchstich erfolgte 1391 bei Sondernheim. Im Jahr 1617 wurde zum
Schutz der Dörfer Neupotz und Leimersheim ein Durchstich erfolgreich ausgeführt.
Die Folge war jedoch eine verstärkte Bedrohung des flussabwärts gelegenen
Linkenheim, so dass auch hier Ende der 1620er Jahre ein Durchstich ausgeführt
wurde, der allerdings keine unmittelbare Verbesserung der Situation brachte
(MUSALL 1971a, S.388). Im Untersuchungsgebiet selbst wurden keine Durchstiche
vor dem 19. Jh. ausgeführt. Der Rhein selbst jedoch verkürzte seinen Lauf in einem
natürlichen regressiven Sprung zwischen Waldsee und Altrip in der Zeit zwischen
1580 und 1590. Dem
Sprung waren seit der Mitte des 16. Jh. große
Hochwasserereignisse vorangegangen. Um 1700 wurde ein weiterer natürlicher
Durchbruch bei Mechtersheim, der Phillipsburg vom Rhein abgeschnitten hätte,
durch einen Dammbau erfolgreich verhindert (MUSALL 1971a, S.388).
III.2.1.2. Politische Rahmenbedingungen
Erst mit der Neuordnung Deutschlands durch Napoleon und der Schaffung des
Großherzogtums Baden wurde es möglich, den Strom über Hunderte von Kilometern
hinweg in ein einheitliches Flussbett zu zwingen und weite Teile der Aue durch
Ausdeichung in - damals dringend benötigte - landwirtschaftliche Nutzfläche
umzuwandeln. Es sei aber darauf hingewiesen, dass die 1817 bis 1885 andauernden
Korrektionsarbeiten in erster Linie zur Festlegung einer französisch-badischen (bzw.
nach 1815 einer bayrisch-badischen) Grenzlinie dienten. Landgewinnung und
Hochwasserschutz der Rheinanliegergemeinden waren zwar erwünscht und geplant,
aber dennoch zweitrangige Ziele. Dies unterscheidet die Tullaschen Maßnahmen in
der Zielsetzung deutlich von allen früheren flussbaulichen Projekten. Zahlreiche
Widerstände mussten vor Beginn der eigentlichen Arbeiten ausgeräumt werden
(eine gute Zusammenfassung hierzu findet sich bei JAKOBS 2002, S. 44 ff):
Von Seiten der Rheinanliegergemeinden wurden die Pläne zur Regulierung des
Rheins ohne große Begeisterung aufgenommen, da sie nach der Flussbauordnung
von 1807 die Unterhaltung der Dämme in Fronarbeit zu leisten hatten. Auf Bestreben
51
Tullas wurde die Fron 1816 durch einen Steuerzuschlag abgelöst und die Arbeiten
von staatlich bezahlten Lohnarbeitern durchgeführt (JAKOBS 2002, S.45). Der
größte politische Widerstand gegen die Rektifikationsarbeiten kam von den
Anliegerstaaten am Mittel- und Niederrhein, insbesondere von Preußen, da man eine
Verschärfung der Hochwassergefahr fürchtete. Nach langwierigen Verhandlungen
einigte man sich darauf, einige der geplanten Eingriffe nicht durchzuführen. Die nie
ausgeführten Durchstiche bei Speyer, Altrip und Neckarau zählten hierzu.
III.2.1.3. Durchstiche im Untersuchungsgebiet
Die sechs im Untersuchungsgebiet gelegenen Durchstiche wurden allesamt nach
dem zweiten Staatsvertrag zwischen Baden und Bayern von 1825 durchgeführt:
Rheinsheimer Durchstich Nr.2:
Vollendung des Durchstichs1826; Aufnahme des Talweges 1832
Mechtesheimer Durchstich:
Vollendung des Durchstichs1837; Aufnahme des Talweges 1844
Oberhausener Durchstich:
Vollendung des Durchstichs1842; Aufnahme des Talweges 1844
Angelhofer Durchstich:
Vollendung des Durchstichs 1826; Aufnahme des Talweges 1876 (50 Jahre!)
Otterstadter Durchstich:
Vollendung des Durchstichs 1833; Aufnahme des Talweges 1845
Ketscher Durchstich
Vollendung des Durchstichs 1833; Aufnahme des Talweges 1839
Zwei der Durchstiche, der Rheinsheimer Durchstich Nr. 2 und der Angelhofer
Durchstich, wurden sogleich nach Vertragsabschluß von 1825 ausgeführt, wogegen
die Proteste seitens Preußens und anderer Rheinanlieger den Beginn der Arbeiten
an den anderen Durchstichen verzögerte.
Die obige Liste macht deutlich, dass der Rhein nicht immer sein neues Bett
bereitwillig annahm: Am Otterstädter Durchstich vergingen 12, am Angelhofer
Durchstich sogar mehr als 50 Jahre, bis der Fluss den neuen Talweg annahm.
III.2.1.4. Die Auswirkungen der Oberrheinkorrektion
Die schwerwiegendste Folge der Oberrheinkorrektion stellte die Tiefenerosion des
Flusses dar. Mit der Korrektion wurde der Lauf insgesamt um 81,8 km (ca. 23%)
verkürzt. Die Erosions- und Transportleistung des südlichen Oberrheins betrug schon
vor der Korrektion 600.000-700.000 t Material pro Jahr, das er aus dem eigenen, bis
zu 12 km breiten, Bett entnahm. Als dieselben Mengen nach der Korrektion aus dem
neuen, lediglich 200-250 m breiten Bett entnommen wurden, stellte sich eine – von
Tulla durchaus vorhergesehene und erwünschte - starke Tiefenerosion ein. Die Folge
war eine Absenkung des Grundwasserstandes in der Rheinebene; nördlich der
Isensteiner Schwelle erreichte die Tiefenerosion mit 6-8m ihr stärkstes Ausmaß
(VIESER 1985, S. 34.f; TITTIZER, KREBS 1996, S. 27ff). Im Bereich des Untersuchungsgebietes fand allerdings teilweise wieder eine Wiederaufhöhung statt:
MUSALL gibt für den Rhein bei Philippsburg eine Vertiefung der Stromsohle um 1,26
52
m bis 1861 an, die bis 1884 durch Akkumulation im Flussbett wieder um 0,45 m
reduziert wurde (MUSALL 1969 S.201). Nach unabhängig voneinander
durchgeführten Berechnungen von PICHL und HORN liegt die Tiefenerosion von
1820 bis 1950 bzw. bis 1970 bei Speyer und Ketsch bei 1,6 m (PICHL 1958, S.325;
HORN 1977, S.214). Noch DÖRRER ist die Stromsohle im Bereich des
Untersuchungsgebietes um etwa 2m abgesunken (DÖRRER 1984, S.113).
Diese Änderungen der Stromsohle sind bei dem Vergleich von rezenten mit
historischen Wasserständen und Inundationsflächen zu berücksichtigen.
Die Vertiefung der Stromsohle bedingte wiederum ein Absinken des
Grundwasserspiegels in der Aue. Dadurch wurde eine deutliche Ausweitung des
Ackerlandes auf vormals feuchte Grünlandstandorte möglich. Ehemals feuchte
Waldstandorte wurden wiederum in Grünland und teilweise sogar in Ackerland
umgewandelt (quantitative Untersuchungen hierzu s.u.). Neben einer Ausweitung der
Nutzflächen erfolgte auch eine Aufwertung der vorhandenen Flächen z.B. die
Bestockung der Waldflächen mit wirtschaftlich wertvolleren Holzarten oder die
Gewinnung trockener Wiesen aus Feuchtwiesen und Weiden (JAKOBS 2002, S. 52).
Aus ökologischer Sicht waren die Folgen der Rheinkorrektion eindeutig negativ.
Hochwasserereignisse lösten zwar über aufquellendes Grundwasser noch vielerorts
Vernässungen aus, bewirkten aber seltener flächenhafte, strömende Überflutungen.
Die Korrektion bedeutete die Zerstörung des zuvor für die Aue so typischen Mosaiks
von sich beständig wandelnden trockenen und feuchten Standorten: Natürliche Aueund Retentionsflächen wurden auf die Bereiche der Dammvorländer reduziert; die
Seitenerosion des Flusses wurde unterbunden; die Zahl der Inseln und Kiesbänken
im Gerinne ging dramatisch zurück; neu entstandene Altarme verlandeten rasch
(VIESER 1985, S. 34.f; TITTIZER, KREBS 1996, S. 27ff). Das Ende der natürlichen
Morphodynamik des Flusses bedrohte und reduzierte zahlreiche vom beständigen
Prozess des Wandels abhängige Tier- und Pflanzenarten bzw. Gesellschaften. Die
Grundwasserabsenkung löste eine „Versteppung“ (DÖRRER 1984, S.113) aus,
einen Sukzessionsprozess hin zur Verbreitung von Artengesellschaften, die sich den
trockeneren Standortbedingungen besser anpassten. Die Verlandung der Altarme
hatte in Verbindung mit der Uferbefestigung im Hauptstrom den Verlust der
wichtigsten Laichplätze für viele Fischarten zur Folge. Innerhalb weniger Jahrzehnte
versank die Rheinfischerei in der Bedeutungslosigkeit.
Die vom Hauptstrom abgeschnittenen Altrheine boten günstige Eiablageplätze für
Stechmücken. In den ersten Jahrzehnten nach der Tullasche Korrektion waren sie
bei Hochwasser noch direkt mit dem Strom verbunden. RIEHL schildert 1857 die
Situation in den direkt an den Altrheinen gelegenen Dörfer nach dem Abschluss der
Arbeiten an den Durchstichen (RIEHL 1857, S.10f):
„In dem Maße als das Hauptbett des Stromes geradliniger und Wasserreicher wird,
versumpfen und verlanden die abgeschnittenen Seitenarme, die Altrheine. (…). Die
Dörfer (…) sind in der heißen Jahreszeit häufig in eine so stinkende Sumpfluft
gehüllt, die aus dem unmittelbar vor den Häusern stagnierenden Wasser aufsteigt,
dass man dann kaum anders als mit verhaltener Nase in ihre Straßen einwandern
kann. (…). Es sind diese Altrheine jedenfalls nur sehr allmählig trocken zu legen, da
sie durch das Rheinwasser, welches in der Tiefe den Kies- und Sandboden
durchdringt, das sogenannte „Quellwasser“, mit dem Hauptstrom trotz der Dämme in
Verbindung bleiben. Der Spiegel der Altrheine steigt und fällt mit der Rheinflut.“
Der Verlandungsprozess der bei der Oberrheinkorrektion geschaffenen Altrheinarme
dauert im Prinzip bis in die Gegenwart an. Dabei sind zwei Entwicklungen zu
53
beobachten: Zum einen gibt es die bereits größtenteils verlandeten Flächen wie z.B.
die Böllenwörth bei Otterstadt. Sie befinden sich nach wie vor in einem permanenten
Verlandungsprozess: Laub und Totholz füllt allmählich die noch vorhandenen
Senken und Schluten. Nur an wenigen Stellen (zumeist an den quer zur
Strömungsrichtung gebauten Waldwegen) ist nach einem Hochwasser überhaupt
Erosionstätigkeit festzustellen. Insgesamt war während der sich von 1997 bis 2001
hinstreckenden Geländearbeiten ein eindeutiges Überwiegen der Akkumulationsprozesse zu beobachten, was ein weiteres Auffüllen der auch bei starken
Hochwasserereignissen nur gering durchströmten Schluten und Senken und die
weitere Einebnung der Reliefunterschiede in der rezenten Aue zur Folge haben
dürfte.
Zum anderen wurden Altarme oftmals im Zuge der Kiesgewinnung vollständig
ausgeräumt und in „Baggerseen“ mit Rheinanschluss umgewandelt (wie z.B. der
Otterstädter oder der Angelhofer Altrhein). Diese Altarme werden von Baggerschiffen
weiterhin ausgetieft und können mit ihrer steilen Uferböschung und den wenigen
verbleibenden Verlandungsflächen den durch die Entkiesung zerstörten Lebensraum
für die auenspezifischen Tier- und Pflanzenarten nicht ersetzen.
III.2.1.5. Begleitende Meliorationsmaßnahmen und ihre Folgen
Eine eingehende Betrachtung der die Oberrheinkorrektion begleitenden
Meliorationsmaßnahmen im Untersuchungsgebiet findet sich bei JAKOBS (2002,
S.53 f):
Im Zuge der „in Wert“ Setzung der neuen, dem Rheinstrom mühsam abgerungenen
Flächen wurden umfangreiche Entwässerungsmaßnahmen durchgeführt. Eine
Methode bestand darin, das natürliche Gefälle auszunutzen und ein enges Netz von
rheinparallelen Gräben flussabwärts in den Fluss münden zu lassen. Stellenweise
wurden Dampfpumpen installiert – im Untersuchungsgebiet z.B. auf Speyerer
Gemarkung und auf der Rheinschanzinsel (MUSALL, 1969 S. 202f). Bei diesen
Maßnahmen wurde offensichtlich der Effekt der sich zeitgleich vollziehenden
Sohlenerosion und die dadurch bedingte Grundwasserabsenkung unterschätzt:
Viele der zuvor zu feuchten Wiesen büßten aufgrund Wassermangels an Ertrag ein
und mussten wieder bewässert werden. Ein solches Bewässerungsgebiet entstand
beispielsweise um die Domäne Insultheim im Hockenheimer Rheinbogen. Es wurde
dort ein in den Rheinstromatlanten des 19. Jahrhunderts detailliert verzeichnetes
Netz von Be- und Entwässerungsgräben geschaffen. Aus den Karten lassen sich
sogar die angewandten Bewässerungsmethoden erschließen.
Teilweise machten die Bewässerungsverfahren eine großflächige Planierung bzw.
einen aufwändigen Umbau des Geländes notwendig. Das Wasser für die
Bewässerung lieferte der Kraichbach. Planierungsarbeiten wurden auch auf
Ackerland durchgeführt – so z.B. von der Zuckerfabrik Waghäusel, die große Areale
des Hockenheimer Rheinbogens gepachtet hatte. Um zu vermeiden, dass der
fruchtbare Oberboden nach der Planierung eine ungleichmäßige Mächtigkeit hatte,
hob man ihn zunächst ab, planierte das Gelände und trug ihn wieder auf (ZAHN
1914 S. 151). Eine weitere Methode bestand darin, feuchten Standorten wie z.B.
moorigen Wiesen Kieselsäure zuzugeben – in dem Glauben, man verbessere damit
die Bodeneigenschaften. Erst später erkannte man, dass der eigentliche Vorteil
dieser Zugabe in einer Verfestigung des zuvor weichen Bodens und in einer
Erhöhung des Geländes bestand (ZAHN 1914, S.145). Auch die systematische
Maulwurfsjagd durch hauptberufliche Maulwurfsjäger wurde als Boden verbessernde
Maßnahme betrieben, bis dieses Tier allmählich Anfang des 20. Jahrhunderts als
Nützling erkannt wurde.
54
Aus heutiger Sicht mutet es fast schon befremdlich an, mit welchem Aufwand die
landwirtschaftliche Aufwertung der neu gewonnenen Flächen betrieben wurde. Es
darf aber nicht vergessen werden, das die Meliorationsmaßnahmen in die Frühphase
der Industrialisierung fallen. Chemischer Dünger und andere heute selbstverständliche Mittel zur Ertragssteigerung standen der damaligen Landwirtschaft,
welche die Nahrung für eine exponentiell wachsende Bevölkerung bereitstellen
musste, noch nicht zur Verfügung. Die Neugewinnung der landwirtschaftlichen
Nutzfläche war in Deutschland an ihre natürliche Grenzen gestoßen. Die Flussauen
waren mit die letzten Flächen, die noch für eine Neugewinnung von Ackerland
genutzt werden konnten. Nur in diesem Zusammenhang können die Nutzungsintensivierung der landwirtschaftlichen Nutzfläche unter erheblichem Arbeitsaufwand
und mit oftmals nur geringen Ertragssteigerungen angemessen bewertet werden. Die
Folgen dieser Maßnahmen wirken sich auf die Hydrodynamik des Untersuchungsgebietes bis heute aus. Auch wenn die Ent- und Bewässerungsgräben
größtenteils Ihre Funktion weitestgehend eingebüßt haben und nicht mehr in Stand
gehalten werden, stellen sie bei Hochwasser noch immer Leitlinien für
Druckwasserflächen und den oberflächlichen Abfluss dar. Erst durch die
Meliorationsmaßnahmen wurden die ehemaligen Auen endgültig in kultivierbare
Flächen überführt und die Voraussetzung für die nächste (und in ihren Folgen wohl
dramatischste) „Phase“ der Nutzungsintensivierung, – die Errichtung von Industrie/Gewerbe- und Wohnflächen in der einstigen Aue, – geschaffen (s.u.)
III.2.2. Weitere Ausbaumaßnahmen am Rhein
Die Oberrheinkorrektur stand am Anfang einer ganzen Reihe weiterer
wasserbaulicher Maßnahmen. Da diese aber nicht im Untersuchungsgebiet selbst
durchgeführt wurden, bzw. im Untersuchungsgebiet selbst keine so weitreichenden
Folgen wie die Tulla´sche Rheinbegradigung haben, sind sie der Vollständigkeit
halber nur kurz aufgeführt, - auch wenn ihre Wirkung auf das Geoökosystem des
Flusses teilweise noch folgenschwerer ist, als die eigentliche Rheinbegradigung:
?? Die
Rheinregulierung
Ausbauphase1907-1940)
zur
Schiffbarmachung
des
Rheins
(2.
Ziel der weiteren Ausbaumaßnahmen waren die Schiffbarmachung des Rheins bis
Basel, eine weitere Gewinnung von Nutzflächen aus den ehemaligen Rheinauen,
sowie ein verstärkter Hochwasserschutz. Unter Max Honsell erfolgte zwischen 1907
und 1940 die Niedrigwasserregulierung. Das Flussbett wurde durch den Bau von
Buhnen (siehe Abb. 22. die auch bei Niedrigwasser eine Fahrrinne von 2-2,5 m Tiefe
gewährleisteten, weiter eingeengt. (VIESER 1985, S. 34f). Die Uferbefestigung
wurde weiter ausgebaut und die Trennung von Fluss und Aue verstärkt. Die letzten
Sandbänke verschwanden aus dem Rheinstrom, bzw. wurden regelmäßig
abgetragen, da sie für die Schifffahrt eine Gefahr darstellten (siehe auch Abb. 23.
Abb. 24. und Abb. 25.).
?? Der Oberrheinausbau zur Energiegewinnung (3. Ausbauphase 1928-1975)
Die tiefgreifendsten Veränderungen des Oberrhein-Geoökosystems traten in der
Phase der Kanalisierung und des Staustufenbaus ein. Der Oberrheinausbau lässt
sich in drei große Abschnitte gliedern (VIESER 1985, S. 36f.):
55
I. Grand Canal d´Alsace zwischen Basel und Breisach
Bereits 1932 hatte Frankreich mit dem Bau der Staustufe Kembs und des Grand
Canal d`Alsace (Rheinseitenkanal) begonnen, um den Rhein zur Energiegewinnung
zu nutzen. Frankreich verfügte durch den Versailler Vertag von 1919 über die
alleinigen Rechte der Energienutzung am Oberrhein und durch den Marshallplan von
1948 auch über das Geld zum Weiterbau des Rheinseitenkanals. Der Kanal wurde
als abgedichtete Betonrinne erstellt, die zwischen Basel und Breisach den Großteil
der Wassermassen des Flusses aufnimmt. Im Restrhein verblieb lediglich eine
Wassermenge von durchschnittlich 30-50m³/s, was eine Absenkung des
Wasserstands (und damit auch des Grundwassers) um 2-3 m bewirkte. Um eine
weitere Grundwasserabsenkung zu verhindern, wurde 1965 im Restrhein bei
Breisach ein Stausystem errichtet.
II. Schlingenlösung zwischen Breisach und Straßburg
Aufgrund der negativen Folgen des Rheinseitenkanals rückte Frankreich nach
anhaltenden Protesten der Bundesregierung und vor allem Baden-Württembergs von
dem ursprünglichen Vorhaben, den Kanal bis nach Straßburg fortzusetzen, ab. Im
Oberrheinausbauvertrag von 1956 wurde die sogenannte Schlingenlösung
konzipiert. Bei der Schlingenlösung sollte das bestehende Rheinbett so weit wie
möglich seine bisherige Funktion behalten. Es wurden 4 Stauhaltungen errichtet. Zu
den Kraftwerken und Schleusen wurde jeweils ein Stichkanal abgeleitet (Schlinge),
der unterhalb der Staustufe wieder in den Rhein geführt wurde.
III. Vollausbau im Strom
Der Ausbau des Rheins konnte nicht, wie ursprünglich geplant, bei Straßburg
beendet werden, weil durch die Stauregulierung eine verstärkte Sohlenerosion
unterhalb der Straßburger Staustufe ausgelöst wurde. Man versuchte durch den Bau
der Stauanlagen Gambsheim (1974) und Iffezheim (1977), die Sohlenerosion zu
stoppen. Obwohl diese Stauanlagen sich bereits im Bereich geringen Gefälles
befinden, trat das Problem der Sohlenerosion nach Vollendung der Staustufen auch
hier auf. Das Problem wird gegenwärtig durch die regelmäßige Zugabe großer
Mengen von Rheinkies direkt unterhalb des Stauwehrs Iffezheim bewältigt: Indem
man 1984 begann, das fortgeschwemmte Geschiebe durch jährlich ca. 170.000
Tonnen Kies (!) zu ersetzen, brachte man sowohl die Erosion als auch die
Notwendigkeit eines weiteren Staustufenbaus zum Stillstand.
III.2.3. Intensivierng der Nutzung der Rheinaue im zwanzigsten Jahrhundert.
Während die durch den Dammbau neu gewonnenen Flächen im neunzehnten
Jahrhundert noch eine fast ausschließlich landwirtschaftliche Nutzung erfuhren, ist
für das zwanzigste Jahrhundert eine Bebauung eines erstaunlich großen Teils dieser
Flächen mit Industrie-, Gewerbe- und Siedlungsgebieten, mit militärischen Anlagen
und vor allem mit zahlreichen Freizeitflächen (z.B. Zeltplätze, Dauercampinganlagen,
Sportplätze, Vereinshäuser, Parkanlagen) festzustellen. Ein Teil dieser Flächen wird
bei stärkeren Hochwasserereignissen nach wie vor überschwemmt, - seit einigen
Jahren kann man sogar von einer regelmäßigen Überschwemmung sprechen. Ferner
sind auch die im Untersuchungsgebiet befindlichen Mülldeponien zu erwähnen
(Mülldeponie nördlich von Speyer und die BASF-Sondermülldeponie Flozgrün), die
beide inmitten druckwasserreicher Gebiete errichtet wurden.
Während die Siedlungsfläche der im Untersuchungsgebiet gelegenen Gemeinden
(z.B. Speyer, Otterstadt und Waldsee) bis zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts
noch von der morphologischen Grenze der überschwemmungssicheren
56
Hochgestadekante begrenzt wurde, entstanden in den letzten Jahrzehnten verstärkt
auch große Neubaugebiete in der ehemaligen Rheinaue. In Abb. 26. wird dieser
Prozess des Vordringens der Siedlungen in die Altaue am Beispiel der Stadt Speyer
verdeutlicht. In den Abbildungen ist der in der Rheinniederung befindliche Teil der
Speyerer Gemarkung grün, die bebauten Flächen jeweils für das Jahr 1856 und das
Jahr 1999 rot dargestellt. In Speyer entstanden in der ehemaligen Überschwemmungsaue des Rheins ausgedehnte Industrie- und Gewerbeflächen wie z.B.
Fabriken, Großhandelsniederlassungen, das Technikmuseum, ein Großleinwandkino und der Flughafen Speyer. Die ehemalige „Rheinhäuser Weide“ wurde mit einer
Erdölraffinerie und weiteren Industrie- und Gewerbebetrieben bebaut und in
„Parkstadt am Rhein“ umbenannt. Die gleiche Entwicklung ist im Nordosten Speyers,
im Bereich der Gemarkung „Schlangenwyhl“ zu beobachten. In den letzten Jahren
wurden dort Flächen, auf denen während der großen Hochwasserereignisse von
1983 und 1999 Druckwasseraustritte zu beobachten waren, mit verschiedenen
Handels- und Gewerbebetrieben bebaut (siehe hierzu Abb. 27. und Abb. 127.).
Es bleibt anzumerken, dass all diese Flächen in höchstem Maße von den
Überschwemmungen eines extremen Hochwasserereignisses bedroht sind – sei es
durch immer wieder aufquellendes Druckwasser (s.u.) oder gar durch einen
Dammbruch.
Die bereits erwähnte Kiesgewinnung stellt neben der Bebauung der Altaue den
tiefgreifendsten Eingriff in den Naturhaushalt der Aue dar. In Abb. 28. sind diejenigen
Flächen im Untersuchungsgebiet rot dargestellt, in denen im zwanzigsten
Jahrhundert Kies abgebaut wurde. Es wird deutlich, dass der Abbau große Teile der
ehemaligen Auflächen unwiederbringlich zerstört und in offene Baggerseen
verwandelt hat. In ökologischer Hinsicht sind diese Seen aufgrund ihrer steilen
Uferböschung und ihrer vorwiegenden Nutzung als Badesee mit Liegestrand oder
Freizeitbebauung (z.B. Binsfeld) als nicht wertvoll einzustufen und stellen keinen
Ersatz für die verloren gegangenen Aueflächen dar.
III.2.4. Gesamteinfluss der seit dem 19. Jh. erfolgten anthropogenen Eingriffe
auf die Inundationdynamik des Rheins
Die Folgen der Tulla´schen Oberrheinkorrektion wurden bereits ausgiebig diskutiert.
Die Folge der daran anschließenden Maßnahmen und Eingriffe (Ausbau des Flusses
für die Schifffahrt, Staustufenbau, Kiesgewinnung, Bebauung der Rheinniederung,
intensivierte Flächennutzung) sind nochmals große Teile der ehemaligen Überschwemmungsaue überformt bzw. zerstört worden. Die Gesamtwirkung dieser
Veränderungen auf das Geoökosystem der Rheinniederung sind beträchtlich und
wurden erst in den letzten Jahrzehnten in ihrer Tragweite erkannt. Eine umfassende
Diskussion dieser Folgen ist nicht Aufgabe der vorliegenden Arbeit – vielmehr sei im
folgenden zusammenfassend auf die Veränderungen in der Inundationsflächendynamik fokussiert:
a) Verlust an natürlichen Überschwemmungsflächen
Bis zu Beginn der Korrektionsarbeiten des Oberrheins ist die gesamte
Rheinniederung zur potentiellen Überschwemmungsfläche extremer Hochwasser zu
zählen. Der Verlust an regelmäßig überschwemmten Flächen lässt sich anhand der
Verringerung der Weichholz- und Hartholzaue-Standorte ablesen. Heute ist die
Vegetationszusammensetzung der Talauenflächen zu 78% als naturfern und nur
57
noch zu 2,3% als naturnah einzustufen; große Teile der Aue sind durch
Verkehrswege o.ä. versiegelt. Genaue Angaben in Form einer Flächenbilanz liegen
nicht vor (TITTIZER, KREBS (1996), S.34). Im am stärksten umgeformten
Oberrheinabschnitt zwischen Basel und Karlsruhe gingen im Zeitraum von 1820 bis
1950 von den ursprünglich rund 1000 km² naturnaher Überschwemmungsflächen
etwa 730 km² verloren. Durch die weiteren Ausbaumaßnahmen zwischen Basel und
Iffezheim von 1950 bis 1977 wurden die verbliebenen 270 km²
Überschwemmungsflächen um weitere 130 km ² reduziert (VIESER (1985) S. 40,
GALLUSSER, SCHENKER (1996), S. 62f; siehe auch Abb. 29.)
b) Grundwasserspiegelabsenkung und Reduzierung von Druckwasserflächen
Ausgelöst durch die Begradigung des Hauptstromes, kam es fast im gesamten Lauf
zu einer Eintiefung der Flusssohle. Häufig überschwemmte Uferpartien erfuhren eine
relative Hebung gegenüber dem alten Mittelwasserstand. Aufgrund der
Vorfluterfunktion des Rheins senkte sich der Grundwasserspiegel in der Rheinebene
auf ein durchschnittlich 2 m tieferes Niveau ein. Im südlichen Oberrheingebiet wird
die Verringerung des Grundwasservorkommens auf ca. 3 Milliarden m³ geschätzt15.
Der Grundwasserspiegelabfall äußerte sich auch in einem Trockenfallen bisheriger
regelmäßig überschwemmter bzw. durchfeuchteter Flächen. Druckwasserflächen, die
zu Beginn des 19. Jh. noch dicht oberhalb des Grundwasserspiegels lagen und
bereits bei geringen Wasserspiegelerhöhungen des Rheins unter Wasser standen,
werden heute selbst bei Hochwasser kaum noch geflutet. Untersuchungen über den
Rückgang und Wandel der Druckwasserflächen im Vor- oder Hinterdeichgebiet
liegen bisher nicht vor.
c) Zunahme von hohen Wasserständen
In Abschnitt III.1.5. wurde bereits betont, dass seit spätestens den 70er Jahren des
zwanzigsten Jahrhunderts eine deutliche Zunahme von extremen Wasserständen im
Untersuchungsgebiet festzustellen ist. Es wurde bereits in Tab.4. gezeigt, dass aber
die extremen Hochwasserereignisse der letzten Jahrzehnte trotz geringerer Abflüsse
an den Messpegeln höhere Wasserstände erreichten als vergleichbare
Hochwasserereignisse des 19. Jahrhunderts. Die Zunahme erhöhter Wasserstände
ist folglich zumindest teilweise direkt auf die
Reduzierung der direkten
Überschwemmungsflächen zurückzuführen, da dem Fluss bei gleichem Abfluss ein
verkleinertes Hochwasserbett zur Verfügung steht.
d) Steigende Gefahr von extremen Abflusswerten
Neben diesem rein von einer Reduzierung des Gerinnequerschnitts verusachten
Wasserstandsanstieg kann es durch die Verkürzung der Gesamtfließstrecke zu einer
Erhöhung der Spitzenabflüsse kommen:
Dass der Verlust des Großteils der natürlichen Überschwemmungen insbesondere
im Zusammenhang mit dem Ausbau des Rheins zu einer „Kraftwerkskette“ eine
Hochwasserverschärfung unterhalb der Ausbaustrecke mit sich bringen würde,
zeichnete sich bereits während den Baumaßnahmen in den 50er und 60er Jahren
ab. Im Jahre 1968 gründeten die Rheinanliegerstaaten die „Hochwasser Studienkommission für den Rhein (HSK). Ihre Aufgabe war die Untersuchung der
Hochwasserverschärfung am Rhein zwischen Basel und Worms. Der 1978
15
siehe STOLZENBURG, H.; http://www.mcfish.de/Text-Rheinhistorie.htm
58
vorgelegte Abschlußbericht ist noch heute eine der maßgeblichsten
Veröffentlichungen zur Hochwasserdynamik des Rheins. Die Studie machte deutlich,
dass die Verringerung der Retentionsgebiete seit 1955 in zweierlei Hinsicht eine
abflusserhöhende Wirkung hatte. Zum einen verursachte der Abfluss im schmaleren
Bett eine erheblich schneller abfließende und weniger abgeflachte Hochwasserwelle.
Zum anderen führte diese Beschleunigung der Hochwasser zu höheren Abflüssen
durch die Überlagerung der Rheinwelle mit den Scheiteln der Nebenflusswellen. Die
Rheinwellen kommen infolge des Ausbaus bis Au-Neuburg demnach in Straßburg im
Schnitt um 15,5 h und in Maxau und Worms um rund 40 h früher an als vor dem
Ausbau. Ein Extremereignis wie das Hochwasser von 1882/83 hätte heute noch
wesentlich höhere Abflüsse: 1882/83 erreichte die Neckarwelle Worms 3 Tage vor
der Rheinwelle und verursachte eine sehr breite Welle mit zwei deutlichen Scheiteln.
Durch die Beschleunigung der Rheinwelle nach dem Ausbau würden sich heute bei
gleichen Rahmenbedingungen beide Wellen vereinigen und einen 1820 m³ größeren
Abfluss erzeugen - siehe Abb. 30.(VIESER 1985, S.41f).
Zwar wurde durch den Bau der zehn Staustufen und die Bettregulierung im
Südlichen Oberrhein eine rund 1000-jährliche Hochwassersicherheit erreicht - jedoch
auf Kosten des Hochwasserschutzes der stromabwärts liegenden Siedlungen. Nach
dem Bau der Staustufe Iffezheim stieg am nördlichen Oberrhein die
Hochwassergefahr von einem 200-jährlichen Ereignis auf ein 50 bis 60 jähriges an.
Erst mit der Realisierung eines ersten Teils der geplanten Hochwasserrückhaltemaßnahmen ist wieder ein Schutz gegen ein 80 bis 100- jähriges
Hochwasser erreicht worden – s.u. (KARRASCH (1988), ISRK (1997), S.20-22,
KLAIBER (1997), S.242).
e) Stagnation in der Entwicklung von Inundationsflächen durch die Unterbindung der
natürlichen Erosions- und Sedimentationsprozesse
Wie bereits dargelegt, ist die Entstehung von Inundationsflächen eng mit der
einstmals für den Rhein so typischen Verlagerungen des Gerinnebetts bzw. dem
Wechselspiel von Erosion und Akkumulation des Stroms verknüpft. Mit zu den
ökologisch wertvollsten Inundationsflächen der Aue zählen die am häufigsten
überschwemmten, d.h. die tiefliegenden, zumeist aus Schluten, Gießen oder
Altarmen hervorgehenden Geländesenken. Durch Laufbegradigung, Buhnen- und
Staustufenbau, durch Uferbefestigung und Ausbaggerungen des Flussbetts ist eine
fluviodynamische Entstehung dieser morphologischen Senken heute nahezu
vollständig unterbunden. Die Erosionsprozesse wurden somit fast vollständig
unterbunden. Die Akkumulationsprozesse hingegen sind im wesentlichen verändert
und verlangsamt, aber nicht im gleichen Maße unterbunden: Die Verlandung der
bestehenden, reliktischen Überschwemmungsflächen vollzieht sich aufgrund des
verringerten Transports von Bettfracht zwar erheblich langsamer als in der Zeit vor
der Oberrheinkorrektur, jedoch ist im Untersuchungsgebiet eine allmähliche
Verlandung
rezenter
Inundationsflächen
durch
abgestorbene
Pflanzen,
angeschwemmtes Holz und Zivilisationsabfälle sowie feine Auelehmablagerungen
nach wie vor zu beobachten. Langfristig ist deshalb mit einer weiteren Auffüllung der
rezenten, tiefliegenden Inundationsflächen zu rechnen, ohne dass neue
Geländesenken bzw. Inundationsflächen in der Aue entstehen. Die wenigen jüngeren
morphologischen Senken entstanden durch Entkiesung und Ausbaggerung der
Altarme. Dabei entstanden jedoch in der Regel keine Überschwemmungsflächen,
sondern für das Geoökosystem der Flussaue wertlose Stillgewässer mit steilen
Uferböschungen.
59
III.2.5. Errichtung von Hochwasserpoldern und Renaturierungsmaßnahmen
Die HSK hatten in ihrem Abschlußbericht von 1978 deutlich auf die Hochwassergefahren, die der Oberrheinausbau von 1950-1977 verursachte, hingewiesen.
Um den früheren 200- jährlichen Hochwasserschutz wieder herzustellen,
verständigten sich Frankreich und Deutschland 1982 darauf, rund 212 Mio. m³ (
mittlerweile sind 288 Mio. m³ geplant) Rückhalteraum bereitzustellen. Über die
Hälfte davon hat das Land Baden-Württemberg zu erbringen. Die Kosten betragen
insgesamt etwa 0,75 Mrd. Euro. Mit einem Abschluss der Baumaßnahmen wird nicht
vor 2010 gerechnet (ISRK 1997, S. 6, 27); in Pressemitteilungen wird mittlerweile
2015 als Abschlussjahr angegeben. Im Untersuchungsgebiet wurde mit der
Umgestaltung der Kollerinsel als Polderfläche im Jahr 2000 begonnen, die Arbeiten
an der Insel Flozgrün sind bereits abgeschlossen, die Rheinschanzinsel bei
Philippsburg soll in naher Zukunft auch zur Polderfläche umgewandelt werden. Es
zeigte sich bei der Umsetzung der Vereinbarung bald, dass die
Hochwasserrückhaltung nicht, wie zunächst vorgesehen, auf einige wenige
Standorte konzentriert werden kann. Mit der Zustimmung der Landesregierung
Baden-Württembergs zum „Integrierten Rheinprogramm“ (IRP) im Jahre 1988 tritt
neben das Ziel der Wiederherstellung des 200jährlichen Hochwasserschutzes die
Wiederherstellung einer ökologisch intakten und naturnahen Auenlandschaft
(MINISTERIUM FÜR UMWELT BADEN-WÜRTTEMBERG 1994, H.10, S. 1).
Wichtigste Maßnahme bei der Umsetzung dieses Konzepts ist die Renaturierung
eines Teils der ehemaligen Auenflächen durch Dammrückverlegungen oder durch
den Bau von Poldern. Dammrückverlegungen entschärfen die Gefahr bei
Extremabflüssen, schaffen aber für Hochwasserereignisse mit geringen
Eintrittswahrscheinlichkeiten keine zusätzlichen Retentionsflächen. Der Bau von
durchströmten, über Ein- und Auslasswerke regulierbare Polder erlaubt eine
ökologische Flutung. Flutungen zur Hochwasserrückhaltung allein reichen für die
Entwicklung von Auebiotopen nicht aus, da sie zu selten erfolgen, nur kurze Zeit
andauern und zu schnell die maximale Überflutungshöhe erreichen.
Bei
ökologischen Flutungen werden die Bauwerke so gesteuert, dass die Polder
entsprechend den Abflüssen des Rheins geflutet werden16. Die geplanten bzw.
fertiggestellten Rückhalteräume sind in Abb. 31. dargestellt.
16
Für weitere Informationen zum Konzept der ökologischen Flutung sei auf die Arbeiten von
DIESTER, dem Leiter des WWF-Aueninstituts in Rastatt verwiesen.
60
IV. Erprobung fernerkundlicher Methoden der
Inundationsflächenbestimmung im Untersuchungsgebiet
Da bereits die Gewinnung von räumlich hoch aufgelösten Inundationsflächendaten
ein erhebliches methodisches Problem darstellt, werden im folgenden Kapitel nicht
nur die Ergebnisse der empirischen Datenerhebung im Untersuchungsgelände
(Abschnitt V.) und der GIS-gestützten Auswertung historischer Karten (Abschnitt VI.),
sondern auch die Erfahrungen, welche mit den zur Datengewinnung verwendeten
fernerkundlichen Methoden gemacht wurden (Abschnitt IV.), vorgestellt
Zu den Eingangs formulierten Zielen dieser Arbeit zählt die Erprobung von zur
Inundationsflächenerfassung geeigneten Erhebungsmethoden. Unter den zur
Verfügung stehenden Erhebungsmethoden zählt die Fernerkundung aus Gründen
der Kosten- und Arbeitszeitoptimierung zu den vielversprechendsten. Die
Schwierigkeit bei der Nutzung von Fernerkundungsdaten besteht in der
Identifizierung von Inundationsflächen im Luftbild, da sie in ihrem Erscheinungsbild
stark variieren und Fehlinterpretationen leicht möglich sind. Aufgrund der Möglichkeiten, welche die digitale Luftbildauswertung bezüglich einer effizienten Inundationsflächenerfassung bietet, seien die während der Arbeiten im Untersuchungsgebiet
gewonnen Erfahrungen im folgenden vorgestellt.
IV.1. Gewinnung von Luftbildmaterial
Den ersten Schritt stellt die Suche nach bereits vorhandenem, verwertbarem
Luftbildmaterial dar. Anhand der Wasserstandstatistiken der Pegel Maxau und
Speyer konnten die Zeitfenster, für welche Luft- oder Satellitenbilder des
Untersuchungsgebietes von Interesse für die Inundationsflächenidentifizierung sind,
genau eingegrenzt werden. Anfragen nach entsprechendem, den räumlichen und
zeitlichen Kriterien des Forschungsprojektes entsprechendem Datenmaterial bei den
Luftbildstellen der Landesvermessungsämter Baden-Württemberg und RheinlandPfalz sowie von kommerziellen Satellitenbildanbietern förderten nur wenige
brauchbare Szenen zutage: Im Zeitraum von 1930 bis 1999 konnten lediglich für 2
der 14 größeren Hochwasserereignisse im Untersuchungsgebiet Luftbildszenen
ausfindig gemacht werden (siehe Tab. 5.). Erfreulicherweise befanden sich einige
Luftbildszenen von kleineren
Hochwasserereignissen
im
Bereich
des
Untersuchungsgebietes bereits im Luftbildarchiv des Geographischen Instituts der
Universität Heidelberg, was in erster Linie dem Engagement des ehemaligen Leiters
der Fernerkundungsabteilung Prof. Dr. W. FRICKE und insbesondere seinem
Interesse für Luftbilder aus dem den Rhein-Neckar-Raum zu verdanken ist. Zu
Satellitenbildern sei nur kurz wiederholt, dass ihre Nutzung zur Inundationsflächenerkennung in der Fachliteratur breit diskutiert wird (s.o.) und bereits eine
Reihe von kommerziellen Softwareprodukten zur automatisierten Auswertung von
Landsat u.a. Systemen bereit steht. Bei der Recherche nach geeigneten
Satellitenszenen für das Untersuchungsgebiet erwies sich das vorhandene bzw.
verfügbare Material für die Zwecke der vorliegenden Arbeit als nicht brauchbar. Die
potentiell für eine Auswertung in Frage kommenden Satellitenbildszenen schieden
61
aufgrund zu geringer räumlicher Auflösung bzw. eines zu hohem Wolkenbedeckungsgrad von vorne herein aus.
Bei den für das Untersuchungsgebiet aufschlussreichen Luftbildszenen, die in
Abschnitt V noch genauer betrachtet werden, handelt es sich überwiegend um
panchromatische
SW
Aufnahmen.
Lediglich
vom
14.7.1975
liegen
Farbinfrarotaufnahmen vor. Die Luftbildszenen wurden alle mit standardmäßigen
Reihenmesskammern aufgenommen. Die Maßstäbe schwanken je nach
Aufnahmehöhe zwischen ca. 1:10.000 und 1:38.000 (siehe Tab. 6.).
Um nach diesen nicht sehr ergiebigen Rechercheergebnissen sicherzustellen, dass
während der Arbeiten im Untersuchungsgebiet im Falle eines Hochwassers die
Erstellung von Luftbildern nicht dem Zufall überlassen bleibt, war bereits im
Projektplan die Erhebung eigener Luftbilder vorgesehen. Im Februar 1999 konnten
mit einem von der KABS zur Verfügung gestellten Helikopter erstmals selbst in einem
größeren Umfang Luftbilder von den Überschwemmungen im Untersuchungsgebiet
geschossen werden17. Da die Mittel für das Forschungsvorhaben erst ab dem 1.April
bereit standen, waren zum Zeitpunkt dieses Hochwasserereignisses noch keine
logistischen Vorbereitungen für die Datenerhebung getroffen worden. Es war deshalb
noch nicht möglich, wie geplant photogrammetrisch auswertbare Senkrechtluftbilder
anzufertigen. Die Dokumentation des Hochwasserereignisses musste sich auf die
Aufnahme von Schrägluftbildern beschränken.
Die Ausrüstung für die Befliegung wurde kurzfristig innerhalb weniger Stunden
improvisiert und bestand aus einer DVD Video Handycam der Firma SONY, einer
Kleinformat Spiegelreflex Kamera mit 50 mm Objektiv (NIKON), und einer
Mittelformat Spiegelreflexkamera. Das Filmmaterial bestand aus Sensia II Filmen von
FUJI mit 100 und 400 ASA, sowie Infrarotfilmen von KODAK und KONIKA. Die
charakteristische Absorption elektromagnetischer Strahlung von Wasser im nahen
Infrarot legte die Verwendung von Infrarotfilmen18 nahe (siehe Abb. 32.).
Auf den Zeitraum des Hochwassers im Mai/ Juni 1999 konzentrierte sich der Großteil
der Cessnabefliegungen. Die letzten Flüge fanden im August 1999 statt und dienten
in erster Linie dem Vergleich der verschiedenen Filme. Erwartungsgemäß konnten
die besten Ergebnisse mit dem bereits bei der ersten Befliegung im Februar 1999
eingesetzten SW Kleinbildfilm High Speed Infrared von KODAK in Verbindung mit
einem Infrarotfilter erzielt werden. Die Schrägluftbilder in Abb. 33. und Abb. 34.
illustrieren die Eigenschaft des Infrarotfilms besser als die Senkrechtaufnahmen:
Deutlich sind die hell erscheinenden Bäume und der Waldboden von den
tiefschwarzen Wasserflächen zu unterscheiden. Selbst dunkle Schatten erscheinen
in einem helleren Ton als das Wasser, so dass kleine, inmitten des Waldes gelegene
Überschwemmungsflächen hier besser als auf anderen Filmarten identifiziert werden
können. Die geringe Schärfe der Bilder resultiert aus der relativ geringen
Lichtempfindlichkeit des Films und der starken Lichtabsorbtion des Infrarotfilters.
Aufgrund der dadurch erforderlichen kleinen Blende und langen Belichtungszeiten
von 1/60 bzw. 1/125 Sekunde wirkten sich die hochfrequenten Vibrationen im
Cockpit des Helikopters auf die Bildqualität aus.
Um die Sicht beim Photographieren nicht einzuschränken, wurde die Beifahrertür des
Helikopters ausgehängt. Für Versuchszwecke wurden bei der ersten Befliegung im
Februar durch Hinauslehnen aus der Helikopterkanzel nahezu lotrechte Luftbilder
17
Beispiele von Luftbilder und Videoaufnahmen des Februarfluges befinden sich auf den dieser Arbeit
beiliegenden CD-ROMs
18
Die verwendeten Infrarotfilme waren neben dem sichtbaren Spektrum auch für die
Wellenlängenbereiche von 0,78 µm bis 1,0 µm empfindlich
62
geschossen. Die anschließende Auswertung dieser “Senkrechtaufnahmen” mit der
Software IMAGINE 8.2. am GI der Universität Heidelberg lieferte brauchbare
Ergebnisse und führte zu dem Entschluss, eine Kameraaufhängung für künftige „Do
it yourself“ Senkrechtaufnahmen zu bauen: In einem Probeflug erwies sich die selbst
gebaute Helikopter-Kamerahalterung als funktionstüchtig und praxistauglich.
Die nächste Gelegenheit, die Kameraaufhängung einzusetzen, hätte sich bereits
wenige Tage nach ihrer Fertigstellung beim Mai/Juni Hochwasser 1999 ergeben. Das
Ausmaß der Überschwemmungen war jedoch so enorm, dass die KABS ihre
Helikopter von Sonnenauf- bis Sonnenuntergang zur Stechmückenbekämpfung
einsetzte und nicht wie geplant dem Promotionsvorhaben für Bildflüge zur Verfügung
stellen konnte. Hinzu kam, dass im für die Luftbilderstellung vorgesehenen
Helikopter das Funkgerät ausfiel und aufgrund des Dauereinsatzes auch in den
nächsten Wochen nicht repariert werden konnte. Ohne Funk war der Pilot aber nur
noch berechtigt, Agrarflüge durchzuführen (Stechmückenbekämpfung) – nicht aber
weitere Insassen mitzunehmen (Bildflug). Trotz intensiver Vorbereitungen konnten
die Luftbilder vom Mai/Juni Hochwasser von 1999 deshalb bedauerlicherweise auch
wieder nur durch improvisierte Befliegungen als Schrägluftbilder und nicht wie
geplant als Senkrechtaufnahmen realisiert werden:
Am Mannheimer Flughafen konnte ein Fluglehrer, Herr Walter Graf, als Pilot für das
Promotionsvorhaben gewonnen werden. Er vermittelte auch die beiden anderen
Piloten des Projekts: Herrn Pettersen und Herrn Pitthan19. Die Piloten waren so
freundlich, die Bildflüge ohne jegliche Bezahlung durchzuführen. Lediglich die
Charterkosten der Maschinen mussten privat finanziert werden. So konnten trotz des
Ausfalls des Helikopters doch noch Befliegungen des Untersuchungsgebietes
durchgeführt und die Entwicklung der Inundationsflächen des Frühsommerhochwassers von 1999 detailliert dokumentiert werden 20. Nachdem sich Versuche,
ohne bzw. mit offener Beifahrertür zu fliegen und so eine möglichst senkrechte
Ausrichtung der Kamera zu erzielen, aufgrund der bei einer Cessna im Vergleich zu
einem Helikopter wesentlich höheren Mindestgeschwindigkeit (und dem
entsprechend stärkeren Fahrtwind) als nicht praktikabel erwiesen, wurden durch die
Seitenfenster der Cessna Schrägluftbilder der Inundationsflächen geschossen. Zwar
wurde auch zu Beginn des Hochwassers, als sich abzeichnete, dass der Helikopter
für die Bildflüge nicht mehr rechtzeitig einsatzbereit sein würde, in den
Universitätswerkstätten eine Kameraaufhängung zur lotrechten Kamerabefestigung
für die Cessna in Auftrag gegeben. Doch bedauerlicherweise konnte diese nicht
mehr vor dem Abklingen des Hochwassers fertiggestellt werden. Leider ereignete
sich zwischen der Fertigstellung und Erprobung der beiden Kameraaufhängungen
(Helikopter / Cessna) bis zur Einstellung der Feldarbeiten im Herbst 2000 im
Untersuchungsgebiet kein größeres Hochwasserereignis mehr, so dass die beiden
Kameraaufhängungen nicht mehr zum Einsatz kamen.
Auch wenn es sich deshalb bei den selbst erhobenen Luftbildern lediglich um
photogrammetrisch schwer auswertbare Schrägluftbilder handelt, so muss doch
betont werden, dass sie für eine visuelle Auswertung nach wie vor von enormen Wert
sind. Letztlich sind sie die einzigen Luftbilder, die das Hochwasserereignis von 1999
19
Herr Pitthahn, ebenfalls Fluglehrer in Mannheim, verunglückte 1999 tödlich bei einem Schulungsflug
in Speyer aufgrund eines während der Startphase auftretenden Motorschadens der Cessna. Der
tragische Unfall ereignete sich eine Woche nach unserem letzten gemeinsamen Bildflug. Es sei ihm
an dieser Stelle nochmals für seine großzügige und freundliche Hilfe gedankt.
20
Beispiele von Luftbilder- und Videoaufnahmen der Befliegungen im Mai/Juni befinden sich auf den
dieser Arbeit beiliegenden CD-ROMs
63
am Oberrhein überhaupt flächendeckend dokumentieren und werden mittlerweile bei
mehreren Behörden für Planungszwecke oder Illustrationen genutzt.
IV.2. Aufbereitung und Auswertung der Luftbilder
Eine photogrammetrische Auswertung der Schrägluftbilder ist nicht möglich bzw.
aufgrund des damit verbundenen Arbeitsaufwandes nicht sinnvoll. Ihre Auswertung
bestand in einem rein visuellen Vorgang, der erst unter Zuhilfenahme
topographischer Karten oder Senkrechtaufnahmen zu brauchbaren Ergebnissen
führte. Üblicherweise werden die Informationen der Schrägluftbilder vom Interpreten
frei Hand in eine Kartenvorlage übertragen. Die Schrägluftbilder sind bezüglich ihrer
Inhalte leichter und eindeutiger zu interpretieren als entsprechende
Senkrechtaufnahmen. Ideal ist deshalb eine Kombination aus Schräg- und
Senkrechtluftbildern, um sowohl die Geometrie, als auch die Klassifizierung der
untersuchten Flächen vollständig und richtig zu umzusetzen.
Für die Auswertung der Senkrechtluftbilder stehen die üblichen analogen und
digitalen Auswertungsverfahren zur Verfügung:
IV.2.1. Analoge Auswertungsverfahren
Mit Hilfe eines optisch mechanischen Luftbildumzeichners von ZEISS wurden für
Vergleichszwecke anhand von 10 Senkrechtaufnahmen Inundationsflächenkarten
gezeichnet. Die geometrische Genauigkeit der mit dem Luftbildumzeichner erstellten
Karten lag nur um etwa 5-10 Meter unter der der computergenerierten Karten (s.u.) –
und das bei deutlich geringeren Bearbeitungszeiten. Bei Auswertungsarbeiten von
panchromatischen SW-Luftbildern, die unter starkem Zeitdruck stehen und bei denen
es nicht auf eine metergenaue Dokumentation der Überschwemmungen ankommt,
ist deshalb die Nutzung eines klassischen Luftbildumzeichners und die
anschließende Vektorisierung der erstellten Papierkarten am Digitalisiertablett einer
rein rechnergestützten Luftbildauswertung vorzuziehen.
IV.2.2. Auswertung der Luftbilder mit Hilfe digitaler Bildbearbeitungsysteme
Dennoch bietet die digitale Luftbildauswertung mit den Methoden der
Bildverbesserung und der automatisierten Klassifizierung vielversprechende
Möglichkeiten zur effektiven Inundationsflächenerkennung. Sie stellte auch den
Schwerpunkt der fernerkundlichen Auswertungsarbeiten dieses Projektes dar und
konnte dank eines DAAD- Stipendiums auf eine Einladung von Prof. Dr. STOW hin
am CESAR Lab der San Diego State University in San Diego / Kalifornien
durchgeführt werden21.
Inwieweit rechnergestützte Luftbildanalysen eine Arbeitserleichterung gegenüber
einer analogen Auswertung darstellen, hängt letztlich von der Frage ab, ob es mit der
verfügbaren Soft- und Hardware möglich ist, Klassifizierungsmethoden zu entwickeln,
welche im Luftbild Inundationsflächen eindeutig von nicht überschwemmten Flächen
zu trennen vermögen.
Neben der Leistungsfähigkeit der Software und der Erfahrung des Bearbeiters hängt
der Erfolg einer rechnergestützten Klassifizierung von der Art und Qualität der zu
bearbeitenden Luftbilder ab. Das für unser Untersuchungsgebiet verfügbare
Luftbildmaterial bestand zum überwiegenden Teil aus am Rechner aufgrund ihres
geringen spektralen Informationsgehaltes nur schwer zu analysierenden
panchromatischen SW Bildern. Hinzu kam, dass viele Luftbilder nicht genau zum
21
An dieser Stelle sei mein besonderer Dank an Prof. Dr. Doug Stow und die freundliche Hilfe der Dozenten und Studenten
des “Center for Earth System Analysis Research” (CESAR) am Geographical Department der San Diego State University
ausgesprochen
64
Zeitpunkt des Hochwasserereignisses erstellt wurden, sondern teilweise erst Wochen
danach. Das Ausmaß der Überschwemmungen konnte aus den Luftbildszenen nur
über die Interpretation von Indikatoren (z.B. anhand von Ernteschäden) erschlossen
werden .
Dennoch konnten, – wie die folgenden Abschnitte zeigen werden – auch unter
diesen erschwerten Bedingungen mit den Methoden der digitalen Bildbearbeitung
befriedigende Interpretationsergebnisse erzielt werden. Das ist für die
Praxistauglichkeit der verwendeten Analyseverahren insofern von Bedeutung, als
das die geringe Verfügbarkeit von geeignetem Luftbildmaterial keine Ausnahme
sondern vielmehr die Regel ist. Während in den ersten Dekaden des 20.
Jahrhunderts keine Alternativen zu panchromatischen SW-Filmen existierten, werden
sie auch gegenwärtig trotz der Entwicklung von Farbfilm und hoch auflösenden
digitalen Aufnahmetechniken bei Bildflügen noch häufig verwendet. Künftige
Untersuchungen und Forschungsvorhaben zur Dynamik von Inundationsflächen in
anderen Flussauesystemen werden deshalb auch bei der Suche nach
Luftbildmaterial vor allem auf panchromatisches SW Bildmaterial zurückgreifen
müssen.
Während die Schrägluftbilder aus eigenen Befliegungen von vorne herein nur für
eine visuelle Auswertung gedacht waren, wurden sämtliche Senkrechtluftbilder der
Reihenmesskammerbefliegungen mit den Mitteln der digitalen Bildbearbeitung
aufbereitet und im GIS ausgewertet.
Digitalisierung der analogen Originaldaten
Die Digitalisierung der im Original als Kontaktabzug bzw. Mutterlichtpause
vorliegenden Luftbilder erfolgte mit einem herkömmlichen, in anderen
Fernerkungungsprojekten allerdings bereits bewährten Flachbrettscanner. Der
Scanprozess wurde mit großer Sorgfalt durchgeführt, da er auf die Qualität aller
weiteren Bearbeitungsschritte erheblichen Einfluss hat. Als Farbtiefe für den Scan
der SW-Photos wurden 8-bit Graustufen mit 256 Grauwerten gewählt. Bei der Wahl
der Auflösung war ein Kompromiss zwischen Genauigkeit und Dateigröße der
digitalen Bilder zu finden. Um eine Pixelgröße, der eine Kantenlänge in Natura von
1m oder besser entspricht, zu erhalten, wurde die DPI Zahl in Abhängigkeit vom
Originalmaßstab über folgende Formel bestimmt: räumliche Auflösung (Strecke in
Natura die von einer Pixelkantenlänge repräsentiert wird) = (M x 2,54) / (dpi x 100) in
Metern, wobei M = Maßstabszahl, dpi = Scan Auflösung in dpi (dots per inch).
Beispiel: Für die SW-Luftbildszene vom 18.7.1999 mit einer Maßstabszahl von etwa
18 000 wurde eine Auflösung von 600dpi gewählt, um eine Pixelgröße zu erhalten,
der eine Kantenlänge von 0,76 m in Natura entspricht.
Bei einer weiteren Verkleinerung der Pixelkantenlänge wäre die Größe der erzeugten
Bilddatei nicht mehr handhabbar gewesen, da der Anstieg des weiter benötigten
Speicherplatzes einer quadratischen Wachstumsfunktion folgt. Die Arbeiten mit der
Software 8.2 IMAGINE am Geographischen Institut der Universität Heidelberg
zeigten, dass Luftbilddateien mit 30 MB von der Luftbildsoftware nicht mehr
bearbeitet werden konnten. An den Rechnern im CESAR Lab mit 523MB
Arbeitsspeicher und einer 8.4. IMAGINE Lizenz waren allerdings auch noch Dateien
über 50 MB gut bearbeitbar.
Geometrische Korrektion
Die geometrische Korrektion der Luftbilder erfolgte mit den Werkzeugen der Software
IMAGINE 8.4. von ERDAS. Bei diesem sehr zeitaufwendigen Verfahren (ca. 3 – 4
Arbeitswochen) wurden die gescannten Luftbilder über Passpunkte, – in der
65
englischsprachigen Literatur Ground Control Points (GCP), – von denen sowohl die
Koordinaten im Gelände, als auch ihre Lage auf dem Luftbild bekannt waren,
geometrisch entzerrt. Aufgrund der zentralperspektivischen Abbildungseigenschaften
von Photographien, die eine zum Bildrand hin anwachsende Verzerrung bedingen,
wurde nach Möglichkeit nur der Kernbereich der Luftbilder in Nadirnähe verwendet.
Während die 1999er Luftbildszene über eine stereoskopische Überdeckung von 60%
bzw. 20% verfügte, mussten bei den 1983er Bildern auch die Randbereiche genutzt
werden. Zunächst wurde die aktuellste und räumlich hochaufgelösteste Luftbildszene
(Luftbildszene vom 18.7.1999 mit Maßstab 1:18 000) georeferenziert. Mehrtägige
Versuche, im Rahmen eines Geländepraktikums Passpunktkoordinaten im Gelände
mit Hilfe eines Differential GPS der KABS (GPS 12cX gekoppelt mit der differential
Black Box der Firma GARNMINS) einzumessen, scheiterten daran, dass der
Differentialempfang die meiste Zeit versagte.
Die Gauss Krüger-Koordinaten der Passpunkte mussten deshalb über das GCP-Tool
von IMAGINE am Digitalisiertablett von den DGK 5 Kartenblättern entnommen
werden. Als Passpunkte wurden zumeist sowohl auf der DGK 5, als auch den
Luftbildern eindeutig identifizierbare Straßenkreuzungen und –abzweigungen
gewählt. Pro Luftbild wurden mindestens 25 GCPs verwendet. Das Resampling
erfolgte mit der “nearest neighbour” Methode, da für die Zwecke der
Inundationsflächeninterpretation eine möglichst unverfälschte Wiedergabe der
ursprünglichen Grauwertverteilung im transformierten Luftbild oberste Priorität
besitzt. Die große Anzahl von Passpunkten pro Luftbild ließ die Verwendung eines
geometrischen Transformationsmodells zweiter polynomischer Ordnung zu. Als
neues Projektions- bzw. Koordinatensystem für die entzerrten und resampleten
Luftbilder wurde Gauss-Krüger gewählt (Transformationsparameter in Tab. 7.). Plots
der zu einem Mosaik zusammengefügten Luftbilder vom 8.6.1983 (Originalmaßstab
ca. 1:34.000) und vom 18.7.1999 (Originalmaßstab ca. 1:18.000) befinden sich im
Anhang.
Rektifikation (rectification) der übrigen Luftbildszenen
Die sehr sorgfältig georeferenzierte Luftbildszene vom 18.7.1999 diente nun als
Grundlage für die Rektifizierung aller anderen vorliegenden Luftbilder. Als
Passpunkte wurden neben Straßenkreuzungen auch einzelstehende Bäume oder
andere auf beiden Luftbildern eindeutig identifizierbare Objekte gewählt. Die Zahl der
GCPs lag je nach Maßstab zwischen 30 und 50 Punkten. Resampling Methode,
Koordinatensystem sowie alle anderen Transformationsparameter wurden aus der
Georeferenzierung der 99er Luftbilder übernommen (siehe Abb. 35.).
Mosaiking
Der Verarbeitungsprozess des Mosaikings,- eines Zusammenfügens der entzerrten
Luftbilder zu einer zusammenhängenden Luftbildkarte, - dient in erster Linie einer
besseren Wiedergabe der Luftbilder im GIS. Die für dieses Projekt verwendete GIS
Software ArcView/ArcInfo gibt Luftbilder in einem nord-süd-orientierten rechteckigen
Ausschnitt wieder. Den außerhalb des eigentlichen Luftbildes liegenden Pixeln wird
in ArcView der Wert 0 (entspricht dem Pixel Farbwert „Schwarz“) zugeordnet. Zum
einen werden dadurch die geometrisch korrigierten Luftbilder mit einem die Analyse
störenden schwarzen Rand wiedergegeben, zum anderen belasten die 0-Werte den
Speicherplatz und können die Dateien um das 1.5 fache vergrößern. Am einfachsten
ließ sich dieses Problem durch das Mosaiking und ein Nord-Süd-orientiertes Clippen
der Bilder mit den Mosaiking- und Subset Image Befehlen von Imagine 8.4. lösen
(siehe Abb. 36.).
66
IV.2.3. Identifizierung von Wasserflächen im Luftbild
Ob Wasserflächen in einem weitgehend automatisierten Bildanalyseprozess am
Rechner eindeutig auf einem Luftbild identifiziert werden können, hängt neben der
Leistungsfähigkeit der Software vor allem von der Wiedergabe der Wasserflächen im
Luftbild ab. Überschwemmungsflächen können bei Hochwasserereignissen in ihrem
Erscheinungsbild sehr stark variieren. Ihre Reflexions- und Absorptionseigenschaften
gegenüber elektromagnetischer Strahlung wird von zahlreichen veränderlichen
Faktoren bestimmt. So haben beispielsweise die Tiefe des Wasserkörpers, das
Mitführung von Schwebfracht, das Aufschwimmen von Getreibsel, die Zusammensetzung der Vegetation im Überschwemmungsbereich, die Bodenbeschaffenheit und
-nutzung der überschwemmten Fläche oder der Sonnenstand zum Zeitpunkt der
Aufnahme einen erheblichen Einfluss auf das Reflexions- und Absorptionsverhalten
der Inundationsfläche. Inwieweit die reflektierte Strahlung vom Fernerkundungsensor
aufgezeichnet werden kann, hängt wiederum von der spektralen Empfindlichkeit der
verwendeten Filme und Filter ab.
Inwieweit nun angesichts dieser zahlreichen, stark von Aufnahme zu Aufnahme
variierenden Einflussfaktoren Inundationsflächen anhand eines Luftbildes überhaupt
zweifelsfrei identifiziert werden können, war eine der Hauptfragen dieses
Promotionsprojekts.
IV.2.3.1. Wasserflächen im panchromatischen SW-Bild
Klassifizierungen werden von einer Luftbildinterpretationssoftware üblicherweise über
Verfahren der Grauwerterkennung vorgenommen. Bei überwachten Klassifizierungen
werden anhand von Referenzflächen für die jeweiligen Untersuchungsobjekte (z.B.
Strassen, Wiesen, Wasser) charakteristische Grauwerte definiert, in Klassen
zusammengefasst und die gewonnene Klassifizierung anschließend auf das gesamte
Luftbild angewendet. Dieses Verfahren ist nur dann erfolgversprechend, wenn sich
einem Untersuchungsobjekt auch tatsächlich eindeutige und unverwechselbare
Grauwertcluster zuordnen lassen.
In panchromatischen SW Luftbildern werden Inundationsflächen keineswegs durch
charakteristische Grauwertbereiche repräsentiert, sondern verfügen über eine
erstaunliche Variationsbreite, wie die Beispiele in Abb. 37. verdeutlichen: In jeder der
4 Abbildungen ist eine Wasserfläche mit einem kleinen Rechteck gekennzeichnet.
Das Histogramm auf der rechten Seite zeigt für die markierten Wasserflächen die
Anzahl der Pixel je Grauwert an. Die Grauwerte, welche im panchromatischen SWBild Wasser bzw. die für uns interessanten Inundationsflächen repräsentieren, liegen
zwischen 0 und 242 – reichen also von vollkommenem Schwarz bis fast Weiß. Ein
auf einer rechnergestützten Grauwertanalyse von Panchromatischem SWLuftbildmaterial basierendes Verfahren kann somit für eine Idenfifizierung von
Inundationsfläche von vorne herein als untauglich ausgeschlossen werden und
wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit auch nicht weiter verfolgt.
IV.2.3.2.Wasserflächen im Infrarotluftbild
Wasser verfügt im nahen Infrarot über charakteristische, für eine rechnergestützte
Luftbildinterpretation nutzbare Absorbtionseigenschaften (siehe auch Abb. 32. bis
34.). Wie tief muss der Wasserkörper aber sein, damit eine im Luftbild
wiedergegebene Absorbtion des Infrarot eintritt? Tritt dieser Effekt nur bei tiefen
Wasserkörpern oder auch bei den zumeist nur wenige Dezimeter tiefen
Inundationsflächen in der Rheinaue auf?
67
Die Auswertung der IR-Luftbilder von 1975 ergab, dass diese Absorbtionseigenschaft
nicht nur für tiefe Wasserkörper wie den Rhein, sondern auch für flache und teilweise
sogar vegetationsbestandene Überschwemmungsflächen gilt: In den Abb. 38.a.-d. ist
für die auf dem jeweiligen Luftbild mit einem Kästchen markierten Wasserflächen die
Häufigkeit der einzelnen Grauwerte in nach den RGB- Bändern getrennten
Histogrammen aufgetragen. Während Wasser im blauen und grünen Band keine
charakteristische Grauwertverteilung aufweist, ist im (das nahe Infrarot
repräsentierenden) roten Band eine Konzentration der Grauwerte um den Wert 11
herum zu erkennen. Bemerkenswert ist, dass selbst Wasserflächen, welche im
sichtbaren Wellenlängenbereich spiegeln, im nahen Infrarot elektromagnetische
Strahlung noch weitestgehend absorbieren (vgl. Abb. 38.a. und Abb. 38.d).
Die Abb. 38.b. und 38.c. zeigen nur etwa 30 –50 cm hoch überschwemmte Wiesen.
Obwohl es sich hier bei den betrachteten Luftbildausschnitten im Gegensatz zu
denen in Abb. 38.a. oder 38.d. also um geringmächtige Wasserkörper handelt, ist
auch hier eine Konzentration der Grauwerte um den Wert 11 herum zu beobachten.
Der Schwerpunkt der Grauwertverteilung wird in diesen Abbildungen allerdings
aufgrund von stärker reflektierendem, aus dem Wasserkörper herausragenden Gras
und Schilf zu den höheren Grauwerten hin verschoben.
Die Auftrennung des IR Falschfarbenbildes in Abb. 39.a. in seine RGB Bänder (Abb.
39.b bis d) veranschaulicht die Bedeutung der nahezu völligen Absorption von
Wasser im nahen Infrarot für die Identifizierung von Inundationsflächen: Deutlich ist
im (die Grauwerte des nahen Infrarots repräsentierenden) roten Band (Abb. 39.c.) die
nahezu schwarze Wiedergabe von Wasserflächen zu erkennen, wogegen im grünen
und blauen Band eine solche Unterscheidung wesentlich schwerer fällt. Bei einer
genaueren Betrachtung des roten Bandes werden auch Strukturen sichtbar, die im
Falschfarben IR Bild nicht erkennbar waren. So ist beispielsweise in einigen
Ackerflächen am Südrand des Saumagens durch die dunkle Darstellung des
Bodens eine starke Durchfeuchtung des Untergrundes zu erkennen. Aus
Geländearbeiten im Sommer 1999 ist bekannt, dass es sich hierbei um ein
Austrittsfenster gespannten Druckwassers handelt. Zum Zeitpunkt der Aufnahme
muss der Boden bereits stark durchfeuchtet gewesen sein.
Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass eine Interpretation der im
nahen Infrarot gut zu erkennenden Bodenfeuchte im Hinblick auf die Verbreitung von
Druckwasserflächen immer mit zeitgleich zur Luftbilderstellung durchgeführten
Bodenuntersuchungen einhergehen muss, da die Gefahr einer Fehlinterpretation in
diesen Fällen sehr groß ist.
Mit dem Classifier tool von IMAGINE 8.4. wurden die Farbinfrarotbilder einer
überwachten Klassifizierung unterworfen. Anhand von 40 Testflächen wurden 4
Klassen gebildet: Klasse 1 (Wald, Acker, Wiese und Gebüsch bzw. Waldrand) Klasse
2 (tiefe Wasserflächen), Klasse 3 (flache Wasserflächen), Klasse 4 (Sonstiges wie
z.B. Feldwege). Alle Pixel des Originalbildes wurden anschließend in IMAGINE einer
dieser Klassen zugeordnet. Relevant für unsere Untersuchung war ausschließlich die
richtige Zuordnung von tiefem Wasser und flachem Wasser. Wie in Abb. 40. zu
sehen, konnten mit der unüberwachten Klassifizierung gute Ergebnisse erzielt
werden. Große zusammenhängende Wasserflächen wurden zuverlässig der richtigen
Klasse zugeordnet. Ferner wurden auch die, selbst bei einer visuellen Interpretation
schwer zu identifizierenden, schilfbestandenen Wasserflächen der richtigen Klasse
zugeordnet. Allerdings wurden teilweise auch Schlagschatten fälschlicherweise der
Klasse “tiefen Wasserflächen” zugeordnet. Ein leichtes “Rauschen” – eine falsche
Zuordnung von einzelnen, isolierten Pixeln zur Klasse “tiefes Wasser” - ist ebenfalls
68
festzustellen. Letzteres ließ sich jedoch leicht in einem Filterungsprozess bzw. durch
eine zweite Klassifizierung eliminieren.
Für den Erfolg einer solchen überwachten Klassifizierung ist die sorgsame Auswahl
der Testflächen entscheidend. Da die Erhebung von Referenzdaten in den
Testflächen zeitaufwendig ist, muss der Bearbeiter das Untersuchungsgebiet bereits
gut kennen, um die Ausweisung von ungeeigneten Flächen zu vermeiden und den
Arbeitsaufwand für den iterativen Klassifizierungsprozess zu minimieren.
IV.2.3.3. Identifizierung von Inundationsflächen im Luftbild anhand von Indikatoren
Der überwiegende Teil des im Rahmen der vorliegenden Arbeit verfügbaren
Luftbildmaterials bestand jedoch leider nicht aus Infrarotbildern, sondern aus
panchromatische SW Bildern, welche zudem teilweise erst Wochen nach dem
maximalen Wasserstand eines Hochwasserereignisses aufgenommen wurden. Das
Ausmaß der Überschwemmungen ist auf diesen Bildern nur noch über Indikatoren
erschließbar. Der wichtigste Indikator ist die Veränderung der Vegetationszusammensetzung infolge des temporären Wasserüberangebots. Bei Hochwasserereignissen, die sich im Zeitraum von Mai bis Juli ereignen, weisen vor allem
Ackerflächen charakteristische Veränderungen im Pflanzenbewuchs auf.
Ernteschäden und ihre Darstellung im Luftbild wurden beim Junihochwasser 1999
durch die zahlreichen Geländebegehungen ausführlich untersucht. Wenn auch aus
diesen Vegetationsindikatoren keine eindeutigen Rückschlüsse auf den Zeitpunkt
von Überschwemmen und Trockenfallen der Fläche gezogen werden können, so
zeigen sie doch zumindest an, welche Flächen über mehrere Tage hinweg mit
Wasser bedeckt waren. Der deutlichste Indikator ist das Absterben von ganzen
Pflanzenarten. Getreide - und auch die meisten anderen agrarisch genutzten
Pflanzen - überleben eine Überschwemmung von mehreren Tagen nicht 22. Aufgrund
der eingangs geschilderten geomorphologischen Prozesse, welche die
Rheinniederung seit Beginn des Holozäns geformt haben, ist das Mikrorelief zumeist
in lang gezogene Senken, die oftmals auch zu Rinnen, Gräben und Schluten
ausgetieft sind, gegliedert. Diese Geländestrukturen prägen das räumliche Muster
der Überschwemmungsflächen und sind in Ackerflächen durch den bemerkenswert
abrupten Übergang von gesunden zu abgestorbenen Feldfrüchten ablesbar
(Beispiele: siehe Abb. 41.).
Auf den überschwemmten Flächen kann es je nach Vegetationsstadium und
Pflanzenart zu deutlich im Luftbild erkennbaren Wachstumsstörungen bzw. zum
völligen
Absterben
der
Pflanzen
kommen.
Bei
länger
anhaltenden
Überschwemmungen war im Juni 1999 oftmals die Bildung von Algenteppichen zu
beobachten, welche auch nach Trockenfallen der Flächen im Luftbild deutlich
erkennbar waren. Des weiteren markierten Geschwemmsellinien von abgestorbenen
Pflanzen, welche von der Strömung verdriftet bzw. in den Druckwasserflächen
entsprechend der vorherrschenden Windrichtung auf eine Uferseite geblasen
wurden, ehemalige Uferlinien der Inundationsflächen (siehe Abb. 42.).
Eine softwarebasierte Identifizierung von Vegetationsindikatoren über ihre Grauwerte
ist im panchromatischen Schwarzweißluftbild nicht sinnvoll. Die Beispiele in Abb. 41.
22
Eine detaillierte Untersuchung über die Wasserresistenz verschiedener Getreide und Gemüsearten
bzw. der in der Rheinniederung anzutreffenden Flora sowie die Wiedergabe der durch ein
Wasserüberangebot bedingten Vegetationsveränderungen im Luftbild wäre für die Identifizierung von
Inundationsflächen mittels fernerkundlicher Methoden von großem Wert.
69
und Abb. 42. zeigten deutlich, in welch vielfältigen Formen das hochwasserbedingte
Wasserüberangebot in den Druckwasserflächen Ernteschäden bzw. Vegetationsänderungen hervorrufen: Genau wie bei der Identifizierung von Wasserflächen
würde bei einem Versuch, Ernteschäden über eine Grauwerterkennung zu klassifizieren, der Arbeitsaufwand den zu erwartenden Nutzen übersteigen. Eine visuelle
Interpretation durch einen mit dem Erscheinungsmuster der Vegetationsindikatoren
vertrauten Luftbildinterpreten ist weniger arbeitsintensiv und liefert nach wie vor die
besseren Ergebnisse.
Eine wichtige Hilfe für derartige visuelle Interpretationen bieten die Verfahren der
digitale Bildverbesserung (Image enhancement). Neben der bisher vorgestellten
Klassifizierung anhand von Grauwerten stellt die Texturanalyse hier eine weitere
Möglichkeit der Flächenerkennung dar: Ein gesundes Kornfeld hat eine andere
Textur als ein geschädigtes, eine trockene Wiese eine andere als eine
überschwemmte Wiese. Die besten Ergebnisse bei der Aufbereitung von Luftbildern
für eine visuelle Interpretation von hochwasserbedingten Vegetationsveränderungen
konnten mit einem varianzbasierten Texturfilter erzielt werden. Als Größe für das
Filterfinster bewährte sich ein 3x3 Pixel großen Filterfenster, die Anwendung
größerer Fenster (5x5 oder 7x7) ergab keine besseren Ergebnisse, sondern
resultierte lediglich in einer größeren Unschärfe des Ergebnisbildes.
Wie in Abb. 43. zu erkennen, werden bei der varianzbasierten Texturanalyse
Übergänge von einer Textur zur Nächsten hervorgehoben, werden die “Kanten” von
Flächen gleicher Textur betont. Dieser Effekt erleichtert bei einer visuellen
Interpretation die Unterscheidung zwischen geschädigten und nicht geschädigten
Flächen. Flächeneinheiten mit großer “Bewegung” – also Flächen mit hoher Varianz
(wie z.B. Wald) werden hell (hoher Grauwert) wiedergegeben. Flächen mit einer
gleichförmigen Textur (wie z.B. Wasser) weisen eine niedrigere Varianz auf und
werden dunkel wiedergegeben (niedriger Grauwert). Geschädigte Ernteflächen
weisen, wie Abb. 43. zeigt, genau wie gesunde Kornfelder eine niedrige Varianz auf
und sind nur durch die Form ihrer hellen Begrenzungslinien voneinander zu
unterscheiden. Während also durch einen Varianzfilter die Übergänge zwischen zwei
Flächen mit unterschiedlicher Textur deutlich hervorgehoben werden, geht die
detaillierte
Grauwertinformation
der
Flächen
selbst
bei
diesem
Bildbearbeitungsschritt verloren. Diese Information ist nach wie vor am besten in den
Grauwerten des Originalbildes erhalten. Um nun sowohl die Texturanalyse als auch
die ursprüngliche Grauwertverteilung bei einer visuellen Interpretation im GIS nutzen
zu können, wurden beide Informationsebenen zu einem Falschfarbenbild überlagert.
Das Ergebnis ist in Abb. 44. dargestellt: Zunächst wurden über das Original-Luftbild
je ein Varianz- und ein Skewness-Filter gelegt.
Anschließend wurde ein
Falschfarbenbild generiert, wobei dem Original-Luftbild das Rote Band, dem
varianzbasierten Texturbild das Grüne Band und dem Skewness-basierten Texturbild
das Blaue Band zugeordnet wurde. In den so zusammengesetzten Luftbildern sind
Ernteschäden und Veränderungen in der Pflanzenzusammensetzung sehr deutlich
zu erkennen und ihre Umrisse einfach abgrenzbar. Die Bildaufbereitung war für die
Interpretation
der
panchromatischen
SW-Luftbildszenen
eine
deutliche
Arbeitserleichterung. Bei nicht zweifelsfrei auf den Falschfarbenbildern zu
interpretierenden Flächen wurden die Originalbilder sowie die Schrägluftbilder aus
eigenen Befliegungen zu Hilfe genommen.
70
IV.2.3.4. Implementierung der Auswertungsergebnisse ins GIS
Als nächstes gilt es, die als Inundationsflächen identifizierten Flächen in ein GIS zu
implementieren. Hierzu ist es in der Regel aufgrund geringeren Speicherbedarfs und
schnellerer Verarbeitungszeiten vorteilhaft, die als Rasterdaten vorliegenden
Klassifizierungsergebnisse vektorisiert – d.h. den Umriss der klassifizierten Flächen
als Punkt- und Vektorfiles abzuspeichern und als eine eigene Informationsebene in
eine Vektor-GIS zu implemetieren. Es kamen zwei verschiedene Vektorisierungsverfahren zum Einsatz:
IV.2.4. Vektorisierung von klassifizierten Luftbildern mit dem Vector Tool
von IMAGINE
Ein weiterer Vorteil der softwaregestützten Auswertung von digitalen Luftbildern
besteht darin, dass als Rasterdaten vorliegenden Klassifizierungsergebnisse mit Hilfe
des Vector Tools von IMAGINE 8.4. (oder anderer Vektorisierungssoftware) bereits
automatisiert als (als ArcInfo Coverage abgespeicherte) Polygone vektorisiert werden
können. Die mit einer unüberwachten Klassifizierung identifizierten, als Rasterfile
vorliegenden Wasserflächen der Infrarotluftbilder von 1975 konnten so problemlos in
ArcInfo Coverages transformiert und nach ArcView importiert werden. Für die
praktische Arbeit bedeutet dies, dass mit Luftbildern welche während eines
Hochwasserereignisses mit im nahen Infrarot empfindlichen Sensoren aufgenommen
werden, direkt nach der Georeferenzierung der Bilder bereits erste
Überschwemmungsflächenkarten als Vektordaten im GIS vorliegen und weiterverarbeitet werden können. Für Anwendungsbereiche die, wie die biologische
Stechmückenbekämpfung, unter hohem Zeitdruck arbeiten, bietet eine derartige
Integration von digitaler Luftbilderstellung und Datenauswertung im GIS neue Wege
der Arbeitsrationalisierung. Bereits wenige Stunden nach der Durchführung eines
Bildfluges liegen Karten der aktuellen Überschwemmungsflächensituation vor und
können zusammen mit anderen im GIS abgespeicherten räumlichen Informationen
(z.B. Nähe der Überschwemmungsfläche zu Ortschaften oder Potential an
Stechmückenlarven) für die Einsatzplanung der aktuellen Stechmückenbekämpfung
herangezogen werden.
IV.2.5. Digitalisierung von Inundationsflächen am Bildschirm
Die zweite – mit einem erheblich höheren Arbeitsaufwand verbundene – Methode
der Vektorisierung von Inundationsflächen besteht in einer Digitalisierung des
Flächenumrisses am Bildschirm. Das Arbeitsprinzip ist das gleiche wie bei einem
klassischen opto-mechanischen Luftbildumzeichner. Anstatt auf ein leeres Blatt oder
eine Papierkarte zu zeichnen, wird der Umriss der Inundationsflächen direkt am
Bildschirm mit der Maus als Eingabewerkzeug abgezeichnet. Der Vorteil gegenüber
den mechanischen Luftbildumzeichnern besteht vor allem in einer höheren Präzision,
da beim Zeichnen in das Bild gezoomt werden kann. Gute Erfahrungen wurden bei
dieser Art der Bildschirmvektorisierung mit der Software ArcView 3.1. gemacht.
71
V. Ergebnisse der empirischen
Inundationsflächenkartierungen
Die auf Geländearbeiten und Luftbildauswertung beruhende Erfassung und
Kartierung der Überschwemmungen im Untersuchungsgebiet zwischen Mannheim
und Speyer bildete den empirischen Schwerpunkt des Promotionsprojektes.
Zwei Ziele wurden mit den aufwendigen Arbeiten im Gelände und in der Luft verfolgt:
Zum einen die Erhebung verlässlicher, d.h. in Raum und Zeit hochaufgelöster
Inundationsflächendaten.
Ohne derartige Daten lässt sich ein Inundationsflächenmodell nicht auf seine Tauglichkeit hin überprüfen. Da es aber gerade einer
der Ansprüche dieser Arbeit war, ein einfaches, dafür aber realistisches und
praxistaugliches Modell der Inundationsprozesse zu entwickeln, war die Erhebung
dieser Daten unerlässlicher Bestandteil des Projektes. Bei der Erhebung von
räumlich und zeitlich exakt erfassten Überschwemmungsflächendaten konnte nicht
auf die Erfahrungen bisheriger Arbeiten zurückgegriffen werden, weshalb die bereits
diskutierten Methoden an die spezifische Aufgabenstellung angepasst wurden.
Zum anderen hatten die Vorarbeiten im Jahre 1997 und die Gespräche mit den
„Stechmückenbekämpfern“ der KABS deutlich gemacht, dass das Phänomen der
Druckwasserflächen bei bisherigen Untersuchungen nicht genügend gewürdigt
wurde. In den gängigen Modellen zur Inundationsdynamik des Rheins wurden sie
nicht berücksichtigt (siehe I. Stand der Forschung). Die geringe Beachtung der
Druckwasserflächen steht in einem bemerkenswerten Widerspruch zu ihrer großen
Bedeutung für zahlreiche Anwendungsbereiche:
?? großes Schadenspotential von Druckwasser
Durch Hochwasser entstandene Schäden konnten im Untersuchungsgebiet während
der Feldarbeiten vor allem durch Druckwasser und nicht etwa durch den ausufernden
Rhein beobachtet werden. Während die außendeichs gelegenen Freizeitanlagen wie
z.B. Zeltplätze und Clubhäuser auf den Überschwemmungsfall eingerichtet sind, hat
man sich bei der Erstellung von neuen Gewerbe- und Wohngebieten vor allem seit
den 80er Jahren auf den Schutz der Dämme verlassen und die Gefahr von bei lang
anhaltenden Hochwasserereignissen aus dem Untergrund aufquellendem
Druckwasser in seiner Bedeutung offensichtlich unterschätzt 23.
?? Bedeutung von Druckwasserflächen als Stechmückenbrutplatz
Das Auffinden von Druckwasserflächen und die Kenntnis ihrer Dynamik hat in der
biologischen Stechmückenbekämpfung einen außerordentlich hohen Stellenwert.
Zum einen befinden sich die Druckwasserflächen oftmals näher an den
Wohngebieten als die innendeichs gelegenen Inundationsflächen, weshalb die dort
schlüpfenden Stechmücken nur kurze Strecken bis zu den Siedlungen zurücklegen
müssen. Zum anderen bieten diese Flächen den Stechmückenlarven oftmals
optimale Entwicklungsbedingungen. Die Untersuchungen zeigten, das in einmal
gefluteten Druckwasserflächen das Wasser z.T. erheblich länger stehen blieb als das
23
Eine systematische und räumlich in den Meterbereich (GPS) aufgelöste Erhebung von
Sachschäden in der Rheinaue durch Begehung und Befragung der Anwohner wäre in diesem
Zusammenhang sehr aufschlussreich, da gerade in den bebauten Bereichen das Auftreten von
Druckwasser mit unseren fernerkundlichen Methoden nicht mehr erfasst werden kann.
72
in den dem Rhein in Verbindung stehenden Überschwemmungsflächen. In Senken
die im Mai 1999 geflutet wurden stand das Wasser teilweise noch bis in den
September hinein. Natürliche Fressfeinde der Stechmückenlarven wie z.B. Fische
fehlen in Druckwasserflächen. Zudem verhalten sich die einzelne dieser Flächen
sehr individuell, was Zeitpunkt und Menge des aufquellenden Wassers anbelangt.
Dies erfordert von den Stechmückenbekämpfern erhöhte Aufmerksamkeit, da diese
Wasserflächen sonst leicht übersehen werden können bzw. der Zeitpunkt des
Larvenschlüpfens verpasst wird.
?? Schwere Berechenbarkeit von Druckwasserflächen im Modell
Druckwasserflächen
weisen
eine
erstaunlich
Vielfalt
bezüglich
ihres
Inundationsverhaltens auf und stellen für jedes Überschwemmungsflächenmodell
eine besondere Herausforderung dar. Die Berechnung und Vorhersage der
komplexen Austauschprozesse zwischen Grundwasser und Uferfiltrat ist mittels
deduktiver Modelle für größere Untersuchungsgebiete kaum realisierbar, da bereits
die Inputdaten und Werte der beeinflussende Faktoren nicht vorliegen.
Druckwasserflächen wurden bei deduktiven Modellen oftmals nur unter unzulässigen
vereinfachenden Annahmen berechnet bzw. wurden gar nicht erst in das Modell
miteinbezogen.
Ein weiteres bereits eingangs formuliertes Ziel der empirischen Feldarbeiten war es
deshalb
angesichts
dieses
bestehenden
Mangels
an
Druckwasserflächenuntersuchungen, ihre Entstehung während verschiedener Hochwasserereignisse zu beobachten, zu dokumentieren und in einem einfachen Modell zu
beschreiben, um sie so bei der Erstellung eines Inundationsflächenmodells mit
berücksichtigen zu können.
Dieses Vorhaben wird in mehreren Arbeitsschritten realisiert, an deren Ende die
Ausweisung von Inundationsflächentypen steht.
V.1. Ursachen und Ausmaß der Überschwemmungen der
untersuchten Hochwasserereignisse
Das jeweils unterschiedliche Ausmaß der aufgetretenen Inundationen legt eine
Einteilung der Hochwasserereignisse bzw. ihrer Überschwemmungsflächen in zwei
Gruppen nahe – in die Überschwemmungen mit einer statistischen Eintrittswahrscheinlichkeit von einem bzw. wenigen Jahren und in außerordentlich starke
Ereignisse wie die „Jahrhunderthochwasser“ des Jahres 1999.
Die im folgenden vorgestellten Ergebnisse beruhen im Wesentlichen auf
Geländearbeiten und Luftbildaufnahmen aus dem Zeitraum vom 1.1.1997 bis zum
15.1.2001. Ein Teil der ausgewerteten Inundationsflächenkartierungen entstand
bereits während der Diplomarbeit (1997) und im Zuge der Vorbereitungen des
Promotionsprojekts. Die Hauptarbeit der Datenerhebung erfolgte vom 1.4.1999 bis
zum 15.1.2001 (in Abb. 45. rot unterlegt).
In Abb. 45. ist die Wasserstandsganglinie des Rheins am Pegel Maxau während des
Untersuchungszeitraumes dargestellt. Die Abbildung verdeutlicht, dass sich der
gewählte Zeitraum als äußerst günstig für die Beobachtung der Inundationsflächenund insbesondere der Druckwasserflächendynamik erwies: Die schwarze Linie in
Abb. 45. bei 449cm markiert den Mittelwasserstand des Pegels der letzten 30 Jahre.
Im Beobachtungszeitraum herrschten fast durchgängig überdurchschnittlich hohe
Wasserstände vor, lediglich 1997 traten vereinzelt Niedrigwasserstände auf. In den
Jahren 1999 und 2000, den Jahren der intensivsten Geländearbeit, lag der
73
durchschnittliche Wasserstand um etwa 30 cm über dem 30-jährigen Mittel.
Bedeutsamer als die generell hohen Wasserstände des Rheins waren jedoch die
zahlreichen Hochwasserereignisse, die sich während des Untersuchungszeitraumes
ereigneten. Neben den kleineren Hochwasserereignissen mit Spitzen von 600 bis
700 cm (März und Juli/August 1997, Januar/Februar 1998, Februar/März , Mai, Juni
und Juli 2000 – siehe auch Abb. 45.) boten vor allem die Hochwasserereignisse des
Jahres 1999 ausreichend Gelegenheit zur Untersuchung der Inundationsprozesse im
Untersuchungsgebiet.
V.1.1. Ursache der Hochwasserereignisse mit jährlicher (und höherer)
Eintrittswahrscheinlichkeit (WQ1)
Die kleineren beobachteten Ereignisse im Jahre 1997 mit Wasserständen bis 700 cm
sind in ihrer statistischen Häufigkeit als jährliche Ereignisse einzustufen. Die
Inundationen dieser Flächen betrafen vor allem die rezente Aue und flussnahen
Druckwasserflächen. Ihre Ursache lag in starken Niederschlägen in Kombination mit
Schneeschmelzprozessen in den Alpen, teilweise auch mit der Schneeschmelze in
Schwarzwald und Vogesen.
Februarhochwasser 1997
Das Februarhochwasser 1997 hatte seine Ursache in westlichen Höhenströmungen,
die besonders im Schwarzwald zu starken Niederschlägen und dem Einsetzen der
Schneeschmelze führten. Vom 11.bis 28. Februar dominierte über Mitteleuropa eine
meist stürmische westliche Höhenströmung. Eingelagerte Tiefdruckgebiete und
deren Ausläufer führten im Wechsel grönländische Polarluft, mäßig warme
Meeresluft und atlantische Tropikluft nach Deutschland. Dadurch kam es ab dem 11.
Februar verbreitet zu Regen-, Schnee-, Hagel- und Graupelschauern und im
Schwarzwald und den Vogesen zur Schneeschmelze. Vor allem im Schwarzwald
führten Gewitter zu markanten Niederschlägen. So fielen am 25. Februar in
Freudenstadt 113 mm, in Besenfeld 129 mm (Nordschwarzwald) und in Gaggenau
125 mm (Nordschwarzwald). Selbst in Karlsruhe wurden 81 mm gemessen
(DWD,1997, Nr.2, S.1).
Das Hochwasser baute sich aus zwei Wellen auf (siehe Abb. 46.). Eine erste Welle
erreichte den Pegel Speyer am 15. Februar und hatte mit 440cm ihr Maximum
bereits am 16. Februar; bis zum 24.2 sank der Wasserstand wieder auf 339cm. Eine
zweite Welle traf am 25. Februar ein und ließ den Rhein bis zum 28. Februar um
mehr als 2 m auf 570cm anschwellen. Bis zum 5. März sank der Pegel wieder unter
die 420 cm - Marke24.
Sommerhochwasser 1997
Die frühsommerlichen Hochwasserwellen, die im langjährigen Vergleich
normalerweise Anfang Juni das Versuchsgebiet erreichen, verzögerten sich im Jahr
1997 bis Ende Juni/ Anfang Juli und fielen im Vergleich zu den Vorjahren nur gering
aus. Ein wesentlicher Grund hierfür ist in der geringen Schneemächtigkeit in den
Alpen und der in den unteren Höhenlagen bereits im Frühjahr erfolgten
Schneeschmelze zu sehen. Die sommerlichen Hochwasser wurden 1997 vor allem
durch heftige sommerliche Niederschläge ausgelöst. Ihr Schwerpunkt lag in
Ostdeutschland und den Ostalpen und bewirkte dort die katastrophalen Hochwasser
in Tschechien, in Ungarn und in Ostdeutschland (v.a. im Oderbruch) und damit
außerhalb des Einzugsgebietes des Rheins. Von der Gefahr katastrophaler
24
Die Pegeldaten wurden freundlicherweise vom BfG Koblenz zur Verfügung gestellt
74
Hochwasser waren die Abflüsse des Rheins weit entfernt. Mit einem Wasserstand
von 591 cm wies er keinen außergewöhnlichen hohen Maximalwert für den Monat
Juli auf. Ungewöhnlich war jedoch die Länge, mit welcher der Rhein seine relativ
hohen Wasserstände beibehielt (siehe Abb. 46.): Zwischen dem 23. Juni und dem 4.
August sank der Rheinstand nur für zwei Tage unter die 470 cm Marke. Das
Sommerhochwasser setzte sich aus mehreren, dicht aufeinanderfolgenden
Hochwasserwellen zusammen und hatten ihre Ursache in immer neuen
Regenfronten: Die Niederschläge des Junis waren in Südwestdeutschland um etwa
50% höher als das Niederschlagsmittel der Jahre 1960-1990. Es kam vom 23.bis 25.
Juni aufgrund des Einbruchs überwiegend arktischer Kaltluft aus Fennoskandien in
Deutschland verbreitet zu Regen und Schauern mit Gewitter. Im bereits durch
Schmelzwasser aus den höheren Lagen der Alpen angeschwollenen Rhein
bewirkten diese Niederschläge eine mäßige Hochwasserwelle, die mit 521 cm für
den Pegel Speyer am 24. Juni ihr Maximum hatte (entspricht etwa 160 cm ü. MW).
Vom 26. bis 30. Juni war unter dem Einfluss eines westeuropäischen Höhentroges
russische Polarluft vorherrschend. Der Vorstoß afrikanischer Tropikluft war vom 28.
bis 30. Juni mit Gewittern und Niederschlägen verbunden, die sich aber vor allem in
den Ostalpen und Ostdeutschland abregneten. Der Rheinwasserstand sank in
diesem Zeitraum und erreichte am 5. Juli in Speyer wieder einen Wasserstand von
458 cm. Die nächste Hochwasserwelle, die das Versuchsgebiet erreichte, wurde
durch Starkniederschläge in Süddeutschland (v.a. im Alpenraum) ausgelöst: Vom 6.
bis 13. Juli entstand auf der Rückseite eines nach Osten schwenkenden
Höhentroges eine nördliche Strömung. Mit ihr wurde warme Meeresluft, später
Tropikluft herangeführt. Die Niederschläge traten vor allem in Süddeutschland auf
und erreichten z. B. am 6. Juli in Oberstdorf 30 mm. Die dadurch ausgelöste
Hochwasserwelle erreichte im Untersuchungsgebiet am 8. Juli mit 591 cm ihr
Maximum (entspricht etwa 230cm ü. MW). Bis zum 18. Juli sank der Wasserstand
aber wieder rasch auf 471 cm. Vom 18. bis 23. Juli kam es bei hohem Luftdruck über
dem Nordmeer und dem fennoskandischen Raum über Mitteleuropa zur Entwicklung
eines Tiefdruckgebietes, das sich nach Osten verlagerte. In Deutschland trat
verbreitet
Regen
auf.
Eine
typische
Vb-Tiefdrucksituation
bewirkte
Starkniederschläge, die sich aber auf den Norden, Nordosten und Osten
konzentrierten. Nicht nur die innerdeutschen Niederschläge, sondern auch die
Niederschläge
in
den
östlichen
Nachbarstaaten
verschärften
die
Hochwassersituation an Oder, Donau und Neiße. Der Rhein schwoll durch die
Niederschläge in diesem Zeitraum hingegen lediglich auf 555cm (21. Juli) an.
Dagegen bewirkten die Niederschläge vom 24. und 25. Juli am Rhein eine letzte
Hochwasserwelle. Die Ursache waren Tiefausläufer, die Mitteleuropa nordost- bis
ostwärts am Südrand einer Hochdruckzone überquerten. Sie führten im Wechsel
grönländische
Polarluft
und
atlantische
Tropikluft
nach
Deutschland.
Starkniederschläge traten in Mittel- und Süddeutschland am 24. und 25. Juli auf (z.B.
Oberstdorf 34 mm am 25.7.); der Rhein stieg am 28. Juli bei Speyer ein letztes mal
auf 563 cm an. Die nachfolgenden vereinzelten Niederschläge im Juli und August
reichten für einen spürbaren Anstieg des Rheinabflusses nicht mehr aus. Am 11.
August erreichte der Fluss die 420 cm Marke und sank bis zum 17. August wieder
unter den Mittelwasserstand.
(Wetterdaten aus: DWD (1997), Nr.6, S.1/19; Nr.7, S.1/19 / Die Pegeldaten wurden
freundlicherweise vom BfG Koblenz zur Verfügung gestellt).
75
Dezemberhochwasser 1997
Starke Niederschläge in Alpen, Vogesen und Schwarzwald waren die Ursache des
Winterhochwassers im Dezember 1997. Der Boden war zum Zeitpunkt des
Hochwassers noch nicht gefroren, weshalb die Überschwemmungsflächen keine
gravierenden Unterschiede zu den sommerlichen Überschwemmungen aufwiesen.
Auch diesmal setzte sich das Hochwasserereignis aus mehreren Wellen zusammen.
Die Wasserstandsänderungen erfolgten erstaunlich schnell. Vor Beginn des
Winterhochwassers lagen die Wasserstände im Niedrigwasserbereich. Seit Ende
Oktober schwankte der Pegel Speyer um die 250 cm. Eine erste, kleine Welle
erreichte mit 493 cm am 14.12. ihr Maximum und fiel bereits am Abend des nächsten
Tages wieder unter 420 cm. Die zweite Hochwasserwelle zeichnete sich durch den
enormen Wasserspiegelanstieg von 2m in 48 Stunden aus. Am 23.12. wurde das
Maximum von 578 cm erreicht. Der anschließende Wasserstandsabfall wurde durch
eine kleine, nachfolgende Welle mit einem Maximum von 476 cm unterbrochen.
V.1.2. Beschreibung der Inundationen von Hochwasserereignissen mit
jährlicher (und höherer) Eintrittswahrscheinlichkeit (WQ1)
Die durch Hochwasserereignisse jährlicher Eintrittswahrscheinlichkeit - d.h.
Hochwasserereignisse, deren maximaler Wasserstand jedes Jahr mindestens an
einem Tag erreicht wird - entstehenden Inundationen spielen aufgrund ihrer
regelmäßigen Wiederkehr im Geoökosystem der Rheinaue eine wichtige Rolle. Die
bevorzugten Eiablagehorizonte der Stechmückenart Aedes vexans befinden sich
nach den Untersuchungen BECKERS etwa bei 170 bis 180cm über dem
Mittelwasserstand. Das entspricht am Pegel Speyer einem Wasserstand von 537 bis
547 cm, am Pegel Maxau einem Wasserstand von 645 bis 655 cm 25. In Abb. 47. ist
jährliche Wiederkehr dieser Wasserstände zumindest seit Mitte der 70er Jahre
erkennbar. Die Eiablage der Stechmücken findet also in einer jährlich
überschwemmten Zone statt. Ebenso wie die Stechmücken sind auch die anderen
Bestandteile des Auenökosystems auf regelmäßige Inundationen angewiesen.
Anhand der folgenden exemplarischen Beispiele wird die Frage beantwortet, wie
groß die von derartigen Inundationen betroffenen Flächen überhaupt sind, wie der
Prozess ihrer Inundation abläuft und um welche Bereiche der Rheinniederung es
sich dabei handelt.
In Abb. 48. sind die im folgenden genannten Flur- und Gemarkungsnamen
aufgeführt.
V.1.2.1. Überschwemmungsflächen
Mittelwasserstand
bei Wasserständen von 50 bis 100 cm über dem
Bei den häufig auftretenden Wasserständen zwischen 50 cm und 100 cm über dem
Mittelwasserstand werden die niedrigen Uferpartien des Rheins und vor allem der
Altrheinarme überschwemmt. Aufgrund der steilen Uferbefestigung des Flussbettes
treten am Hauptgerinne selbst keine Überschwemmungen auf. Die ökologisch
interessanten Überschwemmungsflächen befinden sich ausschließlich in den
Uferbereichen der Altarme. In Abb. 49. sind als Beispiel für diesen Hochwassertyp
die am 16.2.1997 kartierten Inundationen abgebildet. Der Wasserstand lag an
25
Die Mittelwasserstände beziehen sich auf den Zeitraum 1971 bis 2000
76
diesem Tag 440cm am Pegel Speyer (73 cm über dem Mittelwasserstand) und
markierte den Scheitel einer kleinen Hochwasserwelle. Bei den rot dargestellten
Inundationsflächen handelt es sich fast ausschließlich um Schilfflächen, die direkt
vom ansteigenden Rhein bzw. seinen Altarmen her geflutet werden. Lediglich auf der
Insel Horn zählt auch eine Druckwasserfläche zu den Inundationen. Es handelt sich
hierbei um eine tiefe Schlute, die von zwei Waldwegdämmen zerschnitten wird, im
Untergrund aber offensichtlich noch in Verbindung zum Fluss steht.
V.1.2.2. Überschwemmungsflächen bei Wasserständen bis 175 cm über dem Mittelwasserstand
Am 28.2.1997 erreichte eine eingipflige Hochwasserwelle mit 570cm am Pegel
Speyer (= 203 cm ü. MW) ihr Maximum, fiel dann aber ebenso rasch wieder ab, wie
sie gestiegen war, so dass bereits am 3.3.1997 der Mittelwasserstand wieder erreicht
wurde. In Abb. 50. und Abb. 51. ist das Ausmaß der Inundationen am 2.3.1997
dargestellt. Der Wasserstand lag am Tag der Kartierung bei 490 cm am Pegel
Speyer (= 125 cm ü. MW). Wieder waren die Schilfgebiete und die Kernbereiche der
Weichholzaue an den Uferpartien der Altrheine überschwemmt: Im Nordwesten der
Kollerinsel das Naturschutzgebiet „Im Grün“, die Inseln im Otterstädter Altrhein und
die Fischergewanne im Süden (siehe Abb. 51.) . In der Böllenwörth füllten sich vom
Südwesten her die Schluten und Grabensysteme der verlandeten Egestion des
Otterstädter Altrheins. Über den verschilften Böllenwörthgraben drang das Wasser
bis in den äußersten Nordwesten der Böllenwörth vor. Neben diesen oberflächlich
gefluteten Flächen traten bei diesen Wasserständen bereits zahlreiche kleinere
Druckwasserflächen auf. Im Bereich der Fischergewanne füllten sich kleinere Senken
durch vom nahen Altrhein einsickerndes Wasser. Ebenso füllten sich aber auch in
der Böllenwörth mehr als 500m vom Fluss entfernte zu- und abflusslose Senken
innerhalb von 3 Tagen mit Wasser (z.B. Ketscher Teich).
Alle bisher beschriebenen Inundationsflächen befinden sich in der rezenten Aue. Es
konnten aber auch bereits bei diesen niedrigen Wasserständen Druckwasserflächen
im vom Rheinhauptdamm geschützten Bereich der Kollerinsel festgestellt werden:
Am Grund der Schlute „Saumagen“ im Norden der Kollerinsel bildeten sich vier
kleinere, mehrere quadratmetergroße Druckwasserflächen.
Auch im Bereich der Rheinhäuser Weide waren wieder die Schilfgebiete
überschwemmt. Im Osten des Rheinbogens entstanden von Norden her geflutete
Inundationen in den Weichholzauen. Auf der Insel Horn füllten sich die
Schlutensysteme durch von der Runkedebunk hereinströmendes Wasser. Ebenso
entstanden zahlreiche Druckwasserflächen.
Neben der Höhe des maximalen Wasserstandes eines Hochwasserereignisses ist
vorrangig die Andauer der hohen Wasserstände für die Bildung von
Druckwasserflächen verantwortlich, da sich die Infiltration des Flusswassers in den
Untergrund und die unterirdische Ausbreitung der Hochwasserwelle ins
Landesinnere nur mit einer starken Zeitverzögerung vollzieht. Als anschauliches
Beispiel sollen zum Vergleich der soeben vorgestellten Inundationen vom 2.3.1997
die Kartierungen vom 3.8.1997 herangezogen werden:
Am 3.8.1997 lag der Wasserstand mit 486 cm am Pegel Maxau um 4 cm unter dem
vom 2.3.1997. Während das Ausmaß der oberirdisch gefluteten Inundationsflächen
bei beiden Wasserständen übereinstimmte, weist die Kartierung im August (siehe
Abb. 52. und Abb. 53.) wesentlich mehr Druckwasserflächen als beim Hochwasser
im März auf (Vgl. Abb. 52. mit Abb. 51.): Druckwasserflächen im „Saumagen“ füllen
die ehemalige Schlute fast völlig aus, in der Böllenwörth sind die bereits am 2.3.
77
beobachtbaren Druckwasserflächen deutlich größer geworden und eine durch
Wiesen führende Schlute hat sich ebenfalls mit Wasser gefüllt. Ebenso sind im
Bereich der Rheinhäuser Weide im Salmengrund und im Waldabschnitt „Schänzel“
und „Ratswörth“ in mehreren hundert Metern vom Fluss entfernten zu- und
abflusslosen Senken weitere Druckwasserflächen hinzu gekommen (Vergleiche Abb.
53. mit Abb. 50.). Aus Abb. 46. geht hervor, dass dem Wasserstand von 486 cm am
3.8.1997 eine fast zwei Monate anhaltende Phase von erhöhten, um die 500cm
Marke herum schwankende Wasserständen vorausgegangen war. Die
Druckwasserflächen resultierten also nicht aus der letzten Hochwasserspitze vom
5.8.1997 mit 563 cm, sondern aus der bereits Ende Mai begonnenen allmählichen
Infiltration von Flusswasser in das Ufersubstrat. Die wenigen am 2.3.1997
beobachteten Druckwasserflächen hatten ihre Ursache dagegen ausschließlich in
der eingipfligen Hochwasserwelle mit ihrem Maximum am 28.2.1997.
V.1.2.3. Überschwemmungsflächen bei Wasserständen bis 225 cm über dem Mittelwasserstand
Ein Beispiel für Inundationen bei Hochwasserereignissen mit bis zu 2,25 m über dem
Wasserspiegel sind die Kartierungen vom 9.7.1997 mit einem Tageswasserstand von
577 cm am Pegel Speyer (= 2,1 m ü. MW). Der Scheitel der Hochwasserwelle
passierte den Pegel Speyer am Vortag mit einem Wasserstand von 591 cm. Die Abb.
54. und Abb. 55. zeigen, dass vor allem die Weichholzaue und die Schlutensysteme
mit Altrheinanbindung in der rezenten Aue geflutet wurden. Im Vergleich mit
Kartierung vom 3. August (Abb. 52. und Abb. 53.) fällt die vergleichsweise geringe
Druckwasserflächenbildung auf. Lediglich in der Böllenwörth und der Insel Horn
entstanden die bereits bekannten Druckwasserflächen. Die Druckwasserbildung im
Saumagen wurde überlagert von oberflächlich hereinströmendem Wasser: Im
Norden der Kollerinsel war eine Schleuse zu spät geschlossen worden.
Aus der geringeren Druckwasserflächenbildung als am 3.8. lässt sich schließen, dass
das bereits in den Untergrund infiltrierte Wasser noch nicht bis zu den Senken im
Landesinneren vorgesickert war.
V.1.2.4. Zusammenfassung: Das Ausmaß von Inundationen bei Wasserständen bis zu 225cm
ü.MW.
Die soeben vorgestellten Beispiele zeigen, dass die Inundationen der
Hochwasserereignisse mit jährlicher Eintrittswahrscheinlichkeit nur einen geringen
Bruchteil der rezenten Rheinaue überhaupt betreffen – Bezogen auf das betrachtete
Untersuchungsgebiet handelt es sich nur um rund 0,03% der rezenten Aue und
0,01% der Rheinniederung. Trotz ihres geringen Flächenanteils zählen sie zu den
ökologisch wertvollsten Bereichen der Flussaue. Nur in diesen Zonen ist auch in
trockenen Jahren zumindest für einige Tage mit Überschwemmung zu rechnen. Es
handelt sich bei diesen Flächen auch um die bevorzugten Eiablagehorizonte von
Aedes vexans 26. Die Beispiele zeigten auch, dass eingipflige, die Aue rasch
durchlaufende Hochwasserereignisse mit Wasserständen bis 2,25m ü. MW kaum
Druckwasserflächen hervorrufen. Bis auf eine Ausnahme, einer durch den
Rheinhauptdamm vom Strom getrennte Schlute, treten Druckwasserflächen im
Untersuchungsgebiet bei diesen Wasserständen lediglich im Aussendeichbereich
auf. Ihre maximale Wasserfüllung wiesen die beobachteten Druckwasserflächen je
nach Entfernung zum Vorfluter 2 bis 4 Tage nach dem Durchlaufen des
Hochwasserscheitels auf. Sowohl die oberflächlich gefluteten Inundationen als auch
26
weitere Darstellungen zum Eiablageverhalten von Aedes Vexans sind im Anhang finden
78
die Druckwasserflächen befanden sich in den meisten Fällen innerhalb der
ausgedehnten Schlutensysteme der Aue.
V.1.3. Ursache der beobachteten „Jahrhunderthochwasser“ (WQ20 bis
WQ100)
Die Inundationen im Jahre 1999 erfassten dagegen nicht nur aufgrund der
außerordentlich hohen Maximalabflüsse im Mai/Juni (der Scheitel der
Hochwasserwelle lag mit 875cm am 14.5.99 mehr als 4m über dem
Mittelwasserstand!), sondern vor allem auch wegen ihrer langen zeitlichen Andauer
außerordentlich große Flächen und aktivierten Druckwasserflächen, die seit
Jahrzehnten nicht mehr beobachtbar gewesen waren. Die Abb. 56. verdeutlicht die
herausragende Stellung des Hochwasserjahres 1999: Auf der X-Achse des
Diagramms sind die hydrologischen Jahre vom Bestehen des Pegels Maxau von
1889/90 bis zum Jahre 2000/01, auf der Y-Achse die Anzahl der Tage pro
hydrologischem Jahr, an denen ein Wasserstand von 725 cm erreicht wurde,
aufgetragen. Im hydrologischen Jahr 1998/99 wurde dieser Wasserstand an mehr als
40 Tagen erreicht bzw. überschritten! Es ist hierbei zu bedenken, dass von Beginn
der Messungen an bis in die 1970er Jahre in den meisten Jahren dieser
Wasserstand an keinem einzigen Tag und selbst in den Hochwasserjahren 1982/83
und 1987/88 nur an jeweils 17 Tagen überschritten wurde.
Das Hochwasserereignis im Februar/ März 1999 stand in direktem Zusammenhang
mit der Schneeschmelze in den Alpen. Eine über 18 Tage andauernde
Nordwestwetterlage führte zu einer außergewöhnlichen Schneeakkumulation mit bis
zu 5 bis 7 m Schnee im Schweizer Einzugsgebiet des Rheins. Am 20. Februar stieg
die Schneefallgrenze auf 1500 m ü. N.N. an. Starkregen verstärkte die
Schneeschmelze und verursachte extreme Abflüsse im Schweizer Einzugsgebiet des
Rheins (WALKER (o.J), S. 2). Bei Maxau stieg der Rhein innerhalb von 48 Stunden
um 4 m an und erreichte am 22.2.99 mit 836 cm seinen maximalen Wasserstand.
Allerdings fiel der Wasserstand in den nächsten Tagen wieder rasch (am 2.3. lag der
Pegel bereits wieder bei 619cm), weshalb sich auch die Inundationsflächen schnell
verkleinerten und die Entstehung von Druckwasserflächen relativ gering blieb.
Der Rhein war von den hohen Wasserständen dieses „Jahrhunderthochwassers“
allerdings noch nicht wieder auf das Niveau des Mittelwasserstandes abgesunken,
als bereits das nächste, noch größere „Jahrhunderthochwasser“ folgte. Obwohl in
den Massenmedien oftmals die Schneeschmelze als Grund des Rheinhochwassers
vom Mai genannt wurde, sind die extremen Starkregen vom 11.- 14.5. und 21.5. in
den Nordalpen als die wirkliche Ursache anzusehen (METEOSCHWEIZ S.1-4). Die
erste Welle des zweigipfligen Maihochwassers wurde durch Starkniederschläge im
Aaregebiet, die zweite durch Niederschläge vor allem im Einzugsgebiet des
Bodensees verursacht:
Am 11. Mai kam eine in W-O-Richtung langgestreckte Luftmassengrenze über der
Alpennordseite zu liegen. Die feuchte Warmluft wurde zwischen Kaltluft im Norden
und den Alpen hochgepresst. Bei konstanter Windrichtung blieb die Zone maximaler
Regenintensität am 12. Mai über viele Stunden ortsfest mit z.T. Niederschlägen von
über 100 l/m² in 18 Stunden. Punktuell wurden in der Schweiz die höchsten jemals
gemessenen Niederschlagswerte gemessen - übertroffen wurden die Regenfälle
lediglich von den Niederschlägen im Mai 1906, wobei damals der Niederschlag ab
1200m in Schnee überging. Am 11./12.Mai regnete es dagegen bis in 2700m Höhe!
In der Nordostschweiz und im Einzugsgebiet der Aare führten die extremen
79
Regenfälle zu lokalen Überschwemmungen (vgl. auch Abb. 57.). In der Nacht zum
13. Mai schwoll der Rhein unterhalb von Koblenz auf Rekordhöhe an. In der Altstadt
von Rheinfelden stand das Wasser 1,5 m hoch. Der Scheitel der
ersten
Hochwasserwelle
erreichte
den
Pegel
Maxau
am
14.5.1999.
Die
Rückhaltemaßnahmen am Kulturwehr Kehl bewirkten, dass die historische Marke
von 883 cm nicht überschritten wurde und der Tageswasserstand bei 875 cm
aufhörte zu steigen27(LFU-Pressemitteilung 12.12.2001, S.1.).Während die Extremniederschläge vom 11./12.5. im Bereich des Einzugsgebietes des Rheins vor allem
das Einzugsgebiet der Aare betrafen, verschärfte sich die Hochwassersituation vom
20.-22. Mai erneut durch ein weiteres Tief, das nun noch zusätzlich zu den
Nordalpen auch Voralberg und Bayern erfasste. Auch hier lagen die Niederschläge
lokal über 100 l/m². Am 24. Mai erreichte der Wasserspiegel des Bodensees mit 5,65
m am Pegel Konstanz den höchsten seit 1890 gemessenen Wert. Besonders die
nordöstlich in den Bodensee einmündenden Zuflüsse verursachten den Seeanstieg
(teilweise lagen die Maximalabflüsse um das 20- bis 30-fache über dem
durchschnittlichen Abfluss (Informationen zum Jahrhunderthochwasser 1999). Nach
dem Erreichen des Scheitelpunktes der ersten Hochwasserwelle am 14.5. sank in
Maxau der Wasserstand bis zum 21.5. wieder auf 768 cm ab. Die vom Bodensee
her kommende Hochwasserwelle erreichte den Pegel Maxau mit einem maximalen
Tageswasserstand von 826 cm am 24.5.. Die hohen Wasserstände gingen nur
allmählich zurück. Auch die Entleerung der Polderflächen, die zur Verminderung des
Spitzenabflusse geflutet worden waren, verzögerte das Absinken des Wasserstandes. Am 17. Juni – also erst 24 Tage nach dem Hochwassermaximum - sank der
Wasserstand am Pegel Maxau wieder unter die 700 cm Marke. Das lange Verharren
des Rheins auf solch ungewöhnlich hohem Niveau bedingte ein lang anhaltendes
Infiltrieren von Flusswasser in den Untergrund und die Bildung zahlreicher
Druckwasserflächen im Untersuchungsgebiet. Bis zum 5. Juli sank der Rhein bei
Maxau weiter auf 607 cm, stieg dann aber infolge von heftigen Starkregen in
Süddeutschland (Gewitter vom 4.-8.7. und 12.-20.7.) bis zum 15.7. wieder auf 713
cm an (DWD Pressemitteilung 199928).
Nach dieser letzten kleineren Hochwasserwelle sanken die Wasserstände rasch ab
und fielen am 23.7. wieder unter die 600 cm-Marke.
V.1.4. Beschreibung der Inundationen von 1999 (WQ 20 bis WQ100)
Gänzlich anderer Natur als die von 1997 bis Anfang 1999 beobachteten
Inundationen waren die Überschwemmungen der Hochwasser im Februar (ca.
WQ20) und an Pfingsten 1999 (ca. WQ100). In beiden Fällen stieg der Rhein
27
In den Massenmedien wurde in den Tagen des Hochwassermaximums berichtet, dass die
Überschwemmung der historischen Altstadt von Speyer durch die Manöver am Kulturwehr Kehl
verhindert werden konnte bzw. dass die Altstadt bereits überflutet worden sei. Hier ist anzumerken,
daß die historische Altstadt um den Speyerer Dom auf dem hochwassersicheren Hochgestade
errichtet wurde und auch bei erheblich größeren Hochwasserereignissen nicht gefährdet ist. Allerdings
sind seit dem Spätmittelalter und vor allem ab Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts zahlreiche
Gebäude bzw. ganze Stadtteile und insbesondere Gewerbeflächen in der Speyerer Rheinniederung
errichtet worden. Diese waren 1999 tatsächlich akut von Überschwemmungen bedroht.
28
DWD-Pressemitteilung (1999): Herausragende Wetterereignisse 1999. www.dwd.de/general/200001xx.html
80
innerhalb weniger Tage über die 800cm Marke des Pegels Maxau (=325 cm ü. MW).
Die Inundationen im Februar 1999 verbreiteten sich mit beeindruckender
Geschwindigkeit: Ausgehend von einem Niedrigwasserstandniveau von 302 cm am
18.2. am Pegel Speyer (65 cm unter MW) stieg der Wasserstand innerhalb von nur 5
Tagen um über 4,5 m auf 820cm an. An eine Kartierung der sich beständig
ausbreitenden Inundationsflächen war nicht zu denken. Die Fotos in Abb. 58. zeigen
das Eintreffen der Hochwasserwelle im Februar im Süden der Speyerer Rheinaue
(Waldstück „Salmengrund“). Der ausufernde Rhein breitete sich als eine, etwa 10cm
hohe, Laub und dünnes Geäst vor sich herschiebende Flutwelle über den nahezu
ebenen Waldboden aus. Rauschend schoss das Wasser in jede Geländesenke, die
von der Flutwelle erreicht wurde, und füllte sie innerhalb weniger Minuten auf. Der
kurz zuvor noch völlig trockene Auwald verwandelte sich innerhalb kürzester Zeit (ca.
20 min.) bis zum Rheinhauptdamm in eine geschlossene Wasserfläche. Der weitere
Wasseranstieg vollzog sich weniger spektakulär aber mit unverminderter
Geschwindigkeit. In Bereichen ohne Strömung wurde die Wasseroberfläche durch
vom Grund her aufströmende Luftbläschen in Bewegung gehalten. Offensichtlich
presste das in den Untergrund infiltrierende Flusswasser die in kleinen Holräumen
eingeschlossene Luft aus dem Waldboden. Diese Luftbläschen konnten vereinzelt
auch noch in den nächsten beiden Tagen beobachtet werden; danach war dieser
Prozess aber offensichtlich abgeschlossen und die Luft vollständig aus dem Erdreich
gepresst worden.
Sowohl im Februar, als auch an Pfingsten stand das Wasser in der rezenten Aue im
Untersuchungsgebiet zeitweise bis zum Rheinhauptdamm – der Anteil der
Inundationsflächen an der rezenten Aue betrug zu diesen Zeitpunkten der höchsten
Wasserstände folglich nahezu 100 % 29. Bereits ein bis zwei Tage nach dem
Erreichen des Hochwassermaximums entstanden auch auf der Binnenseite des
Rheinhauptdammes erste Inundationsflächen – teilweise inmitten bebauter Areale
(z.B. auf dem Firmengelände Isower im Süden Speyers). In unmittelbarer
Dammnähe handelte es sich zumeist um am Dammfuß austretendes Sickerwasser,
dass sich in Senken sammelte. Aber auch Druckwasseraustritte aus dem Untergrund
waren an zahlreichen Stellen der vermeintlich durch Dämme vor Inundationen
geschützten Rheinniederung zu beobachten. Das Ausmaß der Überschwemmungen
war so gewaltig, dass die Kartierung der einzelnen Flächen nicht mehr mit der
gleichen Genauigkeit wie bei den bisher untersuchten Hochwasserereignissen
vorgenommen werden konnte. Die zeitliche Veränderung der Inundationsflächen
konnte nur noch in besonders interessanten Teilflächen des Untersuchungsgebietes
genauer dokumentiert werden. Vordringliches Ziel der Kartierungsarbeiten war es
vielmehr, das Gesamtausmaß der Inundationen zu erfassen.
Die Inundationen von Pfingsten 1999 sind für die Kollerinsel in Abb. 59., für die
Rheinhäuser Weide in Abb. 60. dargestellt. Die Karten beruhen auf der Auswertung
von Luftbildern und Kartierungen im Gelände. Im Gegensatz zu den bisher
vorgestellten Inundationsflächenkarten zeigen sie nicht die Inundationen eines
bestimmten Tages, sondern die größte Ausdehnung aller im Zeitraum vom 13.5. bis
zum 18.7.1999 beobachteten Überschwemmungen.
29
Für zahlreiche größere Waldtiere hatte das Hochwasser lebensbedrohlichen Charakter. Sie
mussten den Auwald verlassen und sich über den Damm retten – oder ertranken. Bei Otterstadt
konnte ich mehrere Rehgruppen dabei beobachtet, wie sie in den Feldern hinter dem Rheindamm
vergeblich nach Deckung suchten und teilweise erschöpft in direkter Nähe zu Menschen und
Siedlungen liegen blieben.
81
Der folgende Abschnitt erläutert die Übersichtskarte in Abb. 61. und gibt einen
Überblick über das gesamte Ausmaß der Inundationen des Pfingsthochwassers
1999.
Erläuterungen zu Abb. 61.: Überblick über die binnenseitigen Inundationsflächen des
Pfingsthochwassers 1999
Die rezente Aue war vollständig überschwemmt, weshalb für diesen Bereich auf
weitere Erläuterungen verzichtet wird. Die hinter dem Rheinhauptdamm, teilweise in
bebautem Gebiet aufgetretenen Inundationen wurden in diesem Ausmaß bisher noch
nicht beobachtet bzw. dokumentiert und erhalten deshalb erhöhte Aufmerksamkeit.
Die Erläuterung zu den Inundationen beginnen bei den linksrheinischen Gebieten
von N nach S und setzen sich dann rechtsrheinisch ebenfalls von N nach S fort
(linksrheinische Inundationen von Nord nach Süd).
Die derzeit in einen Hochwasserpolder umgewandelte Kollerinsel bei Otterstadt
wurde zum Zeitpunkt der Überschwemmungen noch intensiv landwirtschaftlich
genutzt und durch einen Damm rundherum vor den Fluten des Rheins geschützt.
Während des Hochwassers war die Kollerinsel zeitweise von der Außenwelt
abgeschnitten und verwandelte sich in eine richtige Insel, da die Fluten des Rheins
die Böllenwörth mitsamt der Autostraße nach Otterstadt vollständig durchströmten.
Der Hochwasserdamm konnte nicht verhindern, dass Wasser aus dem Untergrund
aufquoll. Die Inundationen auf der eingedeichten Fläche führten zu katastrophalen
Ernteschäden: Insgesamt 58% der Insel waren von Druckwasserflächen bedeckt.
Nördlich des Otterstädter Altrheins war das Dauercamper-Areal „Auf der Au“ stark
von aus länglichen, einem verlandeten Rheinmäander folgenden, Geländesenken
austretendem Druckwasser betroffen. Im südwestlichen Teil des Campingareals
stand das Wasser teilweise mehr als einen Meter hoch.
Im Bereich des Wasserwerks Waldsee und auf der kleinen Koller waren ebenfalls
zahlreiche Inundationsflächen zu finden.
Deutlich zeichneten auch die länglichen, parallel zum gekrümmten Lauf des
Hochgestades zwischen Otterstadt und Waldsee liegenden Inundationsflächen den
Lauf verlandeter Rheinmäander nach. Nördlich des Pumpwerkes standen mehrerer
Hektar Acker und auch die Feldwege auf mehreren hundert Meter Länge unter
Wasser. In einem Neubaugebiet im Norden Otterstadts (Ehemaliger Flurstückname:
Schmale Behl) trat in einer Baubrache neben Wohnhäusern Druckwasser aus.
Nördlich der Binsfelder Seen traten längliche, die ehemaligen Mäander am
Hochgestade nachzeichnende Inundationen auf.
Auf Speyerer Gemarkung trat rund um die Mülldeponie, nahe dem Schlangenwyhl,
im Fuchswyhl und im Bereich des Rübsamenwyhls Wasser aus dem Untergrund auf.
Für die beiden letztgenannten Flächen ist anzumerken, dass hier erst vor wenigen
Jahren Gewerbebetriebe und großflächige Discountmärkten errichtet wurden. Die
Bautätigkeiten sind hier noch nicht abgeschlossen und auf 1999 überschwemmten
Flächen wurden mittlerweile weitere Gebäude errichtet (vgl. Abb. 127.).
Das Gleiche gilt für die Gewerbegebiete im Süden Speyers – insbesondere für die
„Parkstadt am Rhein“. Im Bereich der, in einen Mäanderbogen vom Rhein
umflossenen ehemaligen Rheinhäuser Weide traten im Werksgelände der Firma
Haltermann, der Firma Isower, neben der Paketverteilerzentrale der Post, auf der
Start- und Landebahn des Flughafens Speyer, auf zahlreichen Äckern im Südwesten
und in einem Bauerwartungsland im Osten zahlreiche Inundationen auf (siehe Abb.
28).
Die Insel Flozgrün stand nahezu vollständig unter Wasser, so dass
Hochwasserdämme, höher gelegene Fahrdämme von Feldwegen sowie die
82
Sondermülldeponie der BASF wie Inseln aus den Inundationen ragten (siehe Abb.
128). Auch der Bereich zwischen dem Berghäuser Altrhein und dem Hochgestade
bei Römerberg wies zahlreiche kleinere Inundationsflächen auf.
Die Schwetzinger Wiesen und die Ketscher Insel wurden vollständig überschwemmt.
Nach dem Sinken des Rheinwasserstandes sammelte sich das Wasser in tiefer
gelegenen Senken und Schluten und verdunstete bzw. versickerte nur sehr langsam
(siehe Abb. 62, Abb. 63., Abb. 64., Abb. 65 und Abb. 66.).
Südlich von Ketsch, im Hockenheimer Rheinbogen, waren drei, vom Rheindamm aus
weit ausgreifende Inundationen zu beobachten – im Bereich des ehemaligen KarlLudwig-Sees, in den Breitwiesen und am Herrenteich (siehe Abb. 67.a und b.). Die
Start- und Landebahn am Herrenteich stand über Wochen hin vollständig unter
Wasser (siehe Abb. 68.a und b.). Ferner traten nahezu im gesamten Bereich des
Hockenheimer Rheinbogens zwischen Ketsch, Hockenheim und Altlußheim kleinere
und größere Inundationsflächen auf (siehe Abb. 69. und Abb. 70.). Zwischen
Neulußheim und Rheinhausen waren entlang des Rheinhauptdammes großflächige
Überschwemmungen durch am Dammfuß austretenden Sickerwasser entstanden
(siehe Abb. 71.).
Weite Teile der Rheinschanzinsel bei Philippsburg östlich des AKW standen unter
Wasser. Im Süden zeichnete das aufquellende Druckwasser die Grabenanlagen des
ehemaligen Brückenkopfes der Festung Phillipsburg nach (siehe Abb.72.).
V.2. Ergebnisse der Druckwasserflächenuntersuchungen
im Sommer 1999
Während des Pfingsthochwassers 1999 wurde die Inundationsdynamik von etwa 20
im Untersuchungsgebiet gelegenen Druckwasserflächen eingehender untersucht
(siehe Abb. 73.a. und b.). Neben der Kartierung des Wandels der Inundationen
wurden in diesen Flächen auch Bodensondierungen und regelmäßige
Wasserstandsmessungen durchgeführt:
Zur Messung der Wasserstandsänderungen wurden 2,5m lange, angespitzte
Holzlatten 50 cm tief im Boden getrieben, ein Nullpunkt markiert und von diesem
ausgehend täglich die Veränderungen des Wasserstandes gemessen. Die
Messgenauigkeit lag bei etwa +/- 3mm.
Außer der Messung der Wasserstandsänderungen wurde die Verteilung von
wasserleitenden und –hemmenden Sedimentschichten im Untergrund der
Druckwasserflächen untersucht. Zu diesem Zweck wurden in jeder der
Druckwasserflächen an mehreren Stellen Bodensondierungen bis in 4m Tiefe
vorgenommen.
Im folgenden werden nun anhand einiger exemplarischer Beispiele verschiedene
Druckwasserflächen vorgestellt und diskutiert.
V.2.1. Burglache und Falkenhof bei Waldsee
(Beispiel I: „echte“ Druckwasserflächen)
Bei der „Burglache“ und dem „Falkenhof“ handelt es sich um zu- und abflusslose
Senken, in welchen, nach den 1997 bis 2001 vorgenommenen Beobachtungen
frühestens zwei bis drei Tage nach einem Anschwellen des Rheins um mehr als 150
83
cm ü. MW ein Austritt von Wasser feststellbar ist (siehe Abb. 74.). Beide Flächen
liegen in einem bereits weit vor dem Mittelalter verlandeten Altarm des Rheins
(bisher ist keine genauere Datierung des Altarms bekannt). Bei der Burglache
handelt es sich um eine langgestreckte natürliche Senke, die nach Westen durch
eine deutliche, etwa 2 m hohe Böschung begrenzt wird. Die Druckwasserfläche
„Falkenhof“ ist dagegen stark anthropogen überprägt. Bereits die Form und der
steile Böschungsrand verraten, dass es sich um eine aufgelassene Ton- oder
Sandgrube handelt. Die beiden Flächen liegen nur 100 m auseinander,
unterscheiden sich aber bei gleicher Grundtendenz deutlich in ihrem
Überschwemmungsverhalten. Wie Abb. 75. zeigt, war die Wasserstandsentwicklung
in den Druckwasserflächen während des Frühsommerhochwassers 1999 der
Ganglinie des Rheins entgegengesetzt: Während der Wasserstand im Fluss vom
24.5. bis zum 2.6. um ca. 120 cm fiel, stieg der Wasserstand in der Burglache um
weitere 30 cm. Der höchste Wasserstand wurde in der Burglache sogar erst am
10.6.1999 erreicht – also mehr als drei Wochen nach dem Maximum des
Rheinwasserstandes. Nicht ganz so extrem, aber mit der gleichen Tendenz verlief
die Entwicklung in der „Falkenhof“-Senke. Während im „Falkenhof“ bereits nach ein
bis zwei Tagen Wasseraustritte festzustellen waren, blieb die Burglache noch völlig
trocken. Diese Unterschiede im Inundationsverhalten konnte bereits 1997 während
einer eingipfligen Hochwasserwelle mit Werten von rund 600 cm am Pegel Speyer
beobachtet werden.
Anhand von Vermessungen und Bodensondierungen im Rahmen eines
Geländepraktikums im Sommer 2001 konnten die Ursachen für das unterschiedliche
Inundationsverhalten der beiden Senken geklärt werden:
Die Vermessung ergab, dass „Falkenhof“ und „Burglache“ in etwa in gleicher Höhe
zum Mittelwasserstand des Rheins stehen. Ein Niveauunterschied in Bezug zum
Mittelwasserstand des Vorfluters kommt als Ursache für das unterschiedliche
Verhalten der Flächen deshalb nicht in Frage. Die Bodensondierungen lieferten in
beide Senken mehrere meterdicke Tonpakete mit darunterliegenden Auenmergel
(schluffiger Sand) zutage. Bei den Sondierungen konnten aber im “Falkenhof“ –
offensichtlich durch anthropogene Austiefungen entstandene Auenmergelfenster in
den Tonschichten gefunden werden: Bei ansteigenden Grundwasserständen bzw.
durch bei Hochwasser in den Untergrund infiltriertes Flusswasser wird die
„Falkenhof“-Senke durch die bei den Sondierungen entdeckten Quellhorizonte
geflutet. Ein allmähliches, und kontinuierliches Ansteigen des Wasserstandes in der
Senke ist die Folge. Aufgrund der umgebenden Tonpakete ist bei Hochwasser von
gespannten Grundwasserverhältnissen auszugehen. Ebenso langsam und
kontinuierlich vollzieht sich das Trockenfallen, wenn der Grundwasserstand wieder
unter das Wasserstandsniveau in der Senke sinkt.
Die „Burglache“ dagegen ist mit einer am Boden und dem unteren Teil der
Seitenwände mit Ton abgedichteten Wanne zu vergleichen. Bei Bodensondierungen
kamen hier z.T. mehrere Meter Tonablagerungen zu Tage. Die Tonpakete
verhindern ein Aufquellen von Druckwasser in der Tiefenlinie der Senke - selbst
wenn das Grundwasserstandsniveau deutlich über dem Senkenboden liegt. Erst
wenn der Grundwasserstand soweit angestiegen ist, dass er sich über die nicht
mehr mit Ton verkleideten, steilen, z.T. stark kieshaltigen Seitenwände erhebt, erfolgt
eine rasche Flutung der Burglache. Einmal eingedrungenes Wasser wird durch die
Tonabdichtung am Versickern gehindert, weshalb noch weit in den September hinein
faulige und übelriechende Reste des Wassers vom Hochwasser im Mai/Juni in der
Burglache standen.
84
V.2.2. Auf der Au
(Beispiel II: „Echte“ Druckwasserfläche mit guter Rheinanbindung)
Zwischen Waldsee und Altrip erstreckt sich entlang des Rheinhauptdamms das vor
allem von Parzellenpächtern aus Ludwigshafen und dem westlichen Rhein-NeckarKreis genutzte Zelt- und Freizeitgebiet „Auf der Au“. Die K-13 teilt mit ihrem
Fahrdamm den Campingplatz in zwei Teilgebiete (siehe Abb. 76.). Während der
Hochwasserereignisse im Jahr 1999 wurden große Teile der Campingplätze von
aufquellendem Druckwasser überflutet. Aufgrund von Erfahrungen der
Stechmückenbekämpfer war schon zu Beginn der Geländearbeiten bekannt, dass
sich in den südwestlich die Campingplatzanlagen begrenzenden Waldstücken
mehrere Druckwasserflächen befinden. Sie liegen alle innerhalb des gleichen
verlandeten Rheinarmes wie die Flächen „Burglache“ und „Falkenhof“; teilweise
handelt es sich um längliche Senken, die in ihrer Richtung den alten Rheinarm
nachzeichnen und teilweise um anthropogen ausgetiefte Tongruben.
Im Campingplatzareal erstreckt sich ein Baggersee entlang des Rheinhauptdammes.
Bei der Aufstellung der Messpegel war zunächst davon ausgegangen worden, dass
Uferfiltrat im Falle eines großen Hochwasserereignisses innerhalb von ein bis zwei
Tagen unter dem Damm hindurch in den Baggersee eindringen würde. Dies hätte
dann ein rasches Ansteigen des Seewasserstandes zur Folge. Am
wahrscheinlichsten erschien deshalb zunächst, dass eine Überschwemmung des
Campingplatzes durch ein Ausufern des Sees erfolgen würde (siehe Abb. 77.).
Interessanterweise zeigte sich während des Hochwassers im Juni 1999, dass in den
Druckwasserflächen im Wald der Wasserspiegel rascher und stärker anstieg als im
Baggersee. Bereits wenige Tage nach dem Maximum des Frühsommerhochwassers
1999 war der südlich der K-13 gelegene Teil des Campingplatzes nahezu vollständig
überschwemmt.
Trotz der größeren Entfernung der Druckwasserstellen zum Rhein war der
Campingplatz von aus den Druckwasserflächen stammendem Wasser und nicht wie
erwartet vom ausufernden Baggersee überschwemmt. Über mehrere Tage hinweg
strömte das Wasser aus der Fläche „Auf der Au Süd“ über den Campingplatz hinweg
in den Baggersee hinein, bis dieser seinen Wasserstand dem Niveau der
Druckwasserfläche „Auf der Au Süd“ angeglichen hatte (siehe Abb. 78.).
Ebenso wurden die nach Norden hin führenden länglichen Senken zu einem großen
Teil von aus der Druckwasserfläche „Auf der Au Nord“ stammendem Wasser
überschwemmt. Wie Abb. 79. zeigt, erreichte die Druckwasserfläche „Auf der Au
Nord“ ihren maximalen Wasserstand erst zwei Wochen später als die rheinnahe
Messstelle „Auf der Au Süd“ – allerdings bei einem insgesamt langsameren und
ausgeglicheneren Wasserspiegelanstieg. Im Herbst 1999 und Sommer 2000
durchgeführte Bodensondierungen bis 4 m Tiefe ergaben im Bereich der
Druckwasserflächen flächig vorliegende Tonschichten, – ein Befund, welcher der
während
des
Hochwasserereignisses
beobachteten
Überschwemmungsflächendynamik widerspricht. Allerdings konnten in den Waldstücken auch mehrere
größere, anthropogen ausgetiefte Senken ausgemacht werden, in denen die
Tonpakete (vermutlich durch eine, erst nach 1875 erfolgte Nutzung als Tongrube)
vollständig abgetragen und so bei Hochwasser durch Uferfiltrat gespeiste
Druckwasserquellen geschaffen worden waren.
Da aber beim benachbarten Baggersee durch die Entkiesungsarbeiten bis in eine
Tiefe von sogar über sieben Metern ebenfalls alle potentielle wasserhemmenden
Sedimentschichten entfernt worden sind, bleibt noch zu klären, wieso das
Druckwasser in den Druckwasserflächen im Wald über einen Zeitraum von mehreren
85
Wochen hinweg trotz einer größeren Entfernung zum Rhein erheblich stärker aus
den Druckwasserquellen austrat als im Baggersee.
Wie bereits dargelegt, befinden sich die Druckwasserquellen innerhalb des Bettes
eines verlandeten Rheinlaufs, der wenige Meter daneben gelegene Baggersee
hingegen nicht. Das alte Flussbett wurde 1875 extensiv als Wiese oder Wald genutzt,
was auf eine hohe Bodenfeuchte hinweist. Der Baggersee dagegen liegt in einem
trockneren, 1875 als Ackerland genutzten Areal (siehe Abb. 80).
Das im Jahre 1999 beobachtete Inundationsverhalten ließe sich somit dadurch
erklären, dass bei Hochwasser das Druckwasser im Untergrund in den
wasserleitenden Kiesen des ehemaligen Rheinbettes rascher landeinwärts
vordringen kann als in den benachbarten Flächen. Die in der Endphase des
Verlandungsprozesses im Altarm abgelagerten Tone behindern jedoch ein Austreten
dieses Druckwassers. Dort wo die Tonschicht
- z.B. durch anthropogene
Beschädigungen – Fenster aufweist, tritt das Wasser dann unter starkem Druck in
Form von im Jahre 1999 beobachteten, stark schüttenden Druckwasserquellen aus.
Obwohl also Uferfiltrat beim Baggersee nur eine Strecke von etwas mehr als hundert
Meter Sediment durchsickern muss, um frei an die Oberfläche treten zu können,
zeigte sich, dass die in den verlandeten Altrheinarmen, z.T. in erheblich größerer
Entfernung vom Rhein gelegenen Druckwasserflächen deutlich rascher und erheblich
stärker auf Wasserstandsänderungen im Fluss reagieren.
V.2.3. Kollerinsel
(Beispiel III: Sickerwassersammelflächen und Druckwasserflächen)
Bereits wenige Tage nach dem Scheitelabfluss der Hochwasserwelle hatte sich auf
der Insel ein Inundationsflächenmuster herausgebildet, wie es bereits auf den
Luftbildern von 1983 und auch beim Hochwasser im April 2001 vorzufinden war: in
länglichen, in etwa parallel zum Otterstädter Altrhein ausgerichteten Rinnen stand
das Wasser über Wochen hinweg, der sinkenden Wasserstandstendenz des Rheins
mit einer sehr starken Verzögerung nachfolgend. Die Abbildungen Abb. 81. und Abb.
82. zeigen die Inundationen der Kollerinsel am 25.5.1999 sowie am 25.6.1999.
Während des Pfingsthochwassers 1999 wurde die Entwicklung des Wasserstandes
an 4 Messpegeln der Insel erfasst. Die Abb. 83. zeigt die Lage der Pegel Koller Süd
und Koller Nord. Aufgrund der Vorbereitungen für die Bildflüge konnten sie nicht
gleich bei Hochwasserbeginn abgelesen werden, weshalb die Werte für die ersten
Tage fehlen.
Das Ausmaß der Inundationen im Außendeichbereich hat am 24.5.1999 seine
maximale Ausdehnung bereits überschritten. Der Fluss zieht sich in sein altes Bett
zurück und hinterlässt außendeichs in isolierten Geländesenken Restwasserflächen,
die allmählich versickern. Innendeichs dagegen sind die Inundationsflächen teilweise
noch im Wachstum begriffen, wie die Wasserstandsmessungen in Abb. 84. zeigen.
Aus der Tatsache, dass der Straßendamm, der Senke Koller Süd von der Senke
Koller Nord voneinander trennt, drei Tage lang eine Ausbreitung des Wasser ins
Inselinnere verhinderte, lässt sich schließen, dass es sich bei den innendeichs
gelegenen, dammnahen Inundationsflächen um oberflächennah ins Landesinnere
eingedrungenes Dammsickerwasser handelte. Dies wird auch durch die Luftbilder in
Abb. 85. und Abb. 86. unterstrichen: Das am Dammfuß bzw. in dammnahen
Hochwasserquellen austretende Sickerwasser sammelt sich an den tiefsten
Geländepunkten. Der Fahrdamm der Kollerstraße hindert dieses oberflächlich
fließende Wasser an seiner weiteren Ausbreitung, weshalb es sich in den
86
Geländesenken zwischen Rheinhauptdamm und Fahrdamm zu kleinen
„Inundationstümpeln“ aufstaut.
Die Ganglinien der Wasserstände in den beiden Messstellen zeigen, dass die näher
am Damm gelegene Senke Koller Süd dem absinkenden Wasserstand des Rheins
seit dem Beginn der Messreihe am 24.5. nachfolgt – wenn auch nur sehr allmählich.
Bemerkenswert ist das rasche und starke Reagieren dieser Flächen auf die kleine
„Nachwelle“ des Rheins am 10.6.1999. Eine Erklärung hierfür wäre eine seit der
Ankunft der Hochwasserwelle im Untersuchungsgelände allmählich zunehmende
Durchfeuchtung auch des bodennahen Substrats. Eine solche Wassersättigung des
Untergrunds könnte zur Folge haben, dass Wasserstandserhöhungen im Rhein
schneller als „Druckwelle“ ins Landesinnere weitergegeben werden als zu Beginn
des Hochwasserereignisses. Dies deutet darauf hin, dass sich mit anhaltend hohen
Wasserständen die zuerst durch oberflächlich bzw. oberflächennah ausbreitendes
Sickerwasser
entstandenen
Inundationsflächen
allmählich
in
„echte“
Druckwasserflächen verwandelt haben und in ihrer Wasserstandsentwicklung nun
nicht mehr von oberflächlichen Zuflüssen, sondern von der Höhe des
Grundwasserstandes in der Aue abhängen.
Die Ganglinie des Wasserstands in der Senke Koller Nord reagierte allerdings
deutlich gedämpfter und mit einer noch größeren Verzögerung als Koller Süd auf die
Wasserstandsentwicklung des Rheins: Obwohl der Rhein seit Beginn der Messreihe
am 24.5. rasch sinkt, steigt das Wasser in Koller Nord noch bis zum 2.6. um etwa 6
cm weiter, was allerdings angesichts der größeren Entfernung vom Rhein und der
auch bei anderen Flächen beobachteten Zeitverzögerung
zu erwarten war.
Ausschlaggebend für die Wasserstandsentwicklung der Senke Koller Nord ist
offensichtlich in erster Linie der Wasserstand in der benachbarten Senke Koller Süd
und nicht derjenige des Rheins selbst.
Insgesamt zeigten die Untersuchungen, dass es ich bei den Druckwasserflächen
Koller Süd und Koller Nord um einen anderen Inundationsflächentyp handelte, als bei
den Flächen „Falkenhof“, „Burglache“ oder „Auf der Au“. Die Nähe zum
Rheinhauptdamm und die Wasserstandsmessungen lassen darauf schließen, dass
die Überschwemmung dieser Flächen in erster Linie auf oberflächennahes,
wahrscheinlich in der Nähe des Dammfußes austretendes Uferfiltrat zurückzuführen
sind. Allerdings kann diese Aussage nicht auf die weiter im Inneren der Insel
gelegenen Inundationsflächen übertragen werden. Es ist im Fall der Kollerinsel von
einer Überlagerung zweier Effekte auszugehen – einerseits dem Einsickern und
oberflächlichen Abfließen von am Dammfuß austretendem Wasser und anderseits
bei anhaltenden Wasserständen dem Aufquellen von Druckwasser aus dem
Untergrund infolge des Grundwasseranstiegs. Bei den dammnahen Senken ist von
einer Dominanz des ersten, bei den im Inneren der Insel gelegenen Flächen ein
Vorherrschen des zweiten Effekts auszugehen.
In Abb. 87. und Abb. 88. ist jeweils das Maximum der im Inneren der Kollerinsel
aufgetretenen Inundationsflächen der Hochwasserereignisse von 1983 und 1999
dargestellt (blau). Die auf den Luftbildern von 1983 abgelichteten Ernteschäden
zeugen von einem geringeren Überschwemmungsausmaß als 1999. Das räumliche
Muster der Inundationen deckt sich aber dennoch mit dem der 1999er
Überschwemmungen.
87
V.2.4. Schänzel
(Beispiel IV: Ausbreitung von Druckwasserwellen in ungespannten
Verhältnissen )
Im Gegensatz zu den bisherigen Beispielen befinden sich die Druckwasserflächen
des Flurstücks „Schänzel“ in der rezenten Aue. Bei höheren Wasserständen (etwa ab
350 cm ü.MW) werden sie direkt vom ausufernden Rhein überschwemmt. Bei
niedrigeren Wasserständen handelt es sich aber um Druckwasserflächen. Das Relief
ist in diesem Waldstück in drei (streckenweise auch mehr) parallel zum Rhein
verlaufende Schluten und Uferdämme gegliedert. Druckwasseraustritte sind sowohl
in diesen Schluten, als auch einer anthropogenen Senke (dem nahezu quadratischen
Graben einer ehemaligen französischen Redoute aus dem 17. Jh.) bereits bei einem
Anstieg des Rheinwasserstands von etwa 200 cm ü. MW. zu beobachten.
Am 2.8.1997 trat in der am weitesten vom Rhein entfernte Schlute Druckwasser aus,
während die anderen Senken noch trocken lagen. Erst am Tag darauf begann auch
in den näher am Rhein gelegenen Schluten Wasser aufzusteigen.
Diese
Beobachtung war insofern bemerkenswert, da bei späteren Geländebegehungen bei
Hochwasser zuerst ein Wasserstandsanstieg in den rheinnahen und dann erst den
rheinfernen Senken festzustellen war.
Was ist die Ursache für dieses ungewöhnliche Inundationsverhalten? Während eines
Geländepraktikums im Sommer 1999 wurden auch in diesem Bereich
Geländevermessungen und Bodensondierungen vorgenommen. Das Ergebnis der
Sondierungen ergab einen relativ homogenen, stark sandhaltigen Auenmergel im
Untergrund, in dem sich vereinzelt Kiesablagerungen befinden. Ton konnte nur am
Grund der rheinfernsten Schlute festgestellt werden. Aufgrund der homogenen
Sedimentverteilung im Untergrund ist davon auszugehen, dass sich eine
Hochwasserwelle im Untergrund des Flurstücks „Schänzel“ relativ gleichmäßig
ausbreitet. Gespannte Grundwassersituationen wie im Beispiel „Falkenhof/
Burglache“ kommen im Schänzel nicht als Ursache für die frühere Überschwemmung
von rheinfernen Flächen in Frage – zumal bei anderen Hochwasserereignissen ja
auch zuerst die rheinnahen und dann erst die rheinfernen Senken überschwemmt
wurden.
Der Grund für die gelegentliche Umkehr in der Reihenfolge des
Inundationsbeginns ist vielmehr in der Art und Weise, wie sich die durch den Anstieg
des Rheins induzierte Druckwasserwelle im Untergrund ausbreitet, zu suchen (s.u.
bzw. Abb. 89. und Abb. 93.).
Eingehende Untersuchungen konnten zu diesem Themenkreis leider aus finanziellen
Gründen nicht durchgeführt werden. Im folgenden soll aber versucht werden,
aufgrund der im Gelände gemachten Beobachtungen und Messungen, aufbauend
auf den bereits bestehenden Theorien, ein einfaches Modell zur Ausbreitung von
Druckwasserwellen im Untergrund zu entwickeln bzw. auf die im Gelände
beobachteten Inundationen anzuwenden.
V.3. Modell der Ausbreitung von Druckwasserwellen im Untergrund
Zunächst wird von der vereinfachenden Annahme ausgegangen, dass es sich beim
Untergrund der Rheinaue um einen homogenen, gut wasserdurchlässiger
Sedimentkörper handelt. Eine grundsätzliche Klärung der Beeinflussung des
Grundwassers in der Rheinniederung durch Hochwasser erfolgte bereits 1939 durch
88
HOFMANN30 und wurde seither von zahlreiche Autoren übernommen (z.B.
SCHÄFER 1978): Zunächst sei dargestellt, wie der Grundwasserspiegel auf einen
starken, lang anhaltenden erhöhten Wasserstand des Rheins reagiert:
V.3.1. Modell für länger anhaltende Wasserstandserhöhungen (Abb. 89.)
Der Rhein ist der Vorfluter des hydrologischen Systems der Rheinniederung. Ein
beständiger Grundwasserstrom fließt von den Randgebirgen zum Fluss. Auf den
Wasserstand des Rheins (NW) stellt sich der Grundwasserspiegel etwa
halbparabelförmig, von der Niederterrasse zum Rhein hin absinkend ein. Der
niedrigste Stand des Grundwasserspiegels wird an der Einmündung in den Rhein
erreicht. Steigt der Rheinwasserspiegel nun infolge eines Hochwassers sprunghaft
an (HW), kehrt sich die Fließrichtung des Grundwassers in der Nähe des Flusses
um. Aufgrund des nun höheren Wasserspiegels des Rheins dringt Flusswasser in
das bisher noch nicht von Grundwasser erfüllte Erdreich ein. Währenddessen strömt
weiterhin Grundwasser von der Niederterrasse in Richtung Fluss; der
Grundwasserspiegel beginnt sich auf das neue, höhere Niveau des Flusses
einzustellen. Dieser Ausgleichsprozess erstreckt sich über einen längeren Zeitraum
(mehrere Tage). Der tiefste Punkt der Grundwasseroberfläche bewegt sich dabei
immer weiter weg vom Fluss.
Dieses allgemeine Modell lässt sich für nun auf die verschiedenen, im
Untersuchungsgelände beobachteten Druckwassertypen anwenden. Mit einfachen
Modellmodifikationen ließen sich alle, auf den ersten Blick ungewöhnlich
erscheinenden Beobachtungen erklären:
V.3.2. Modell für die Interaktion Fluss-Grundwasser bei einem
„Jahrhundert“ Hochwasser (Abb. 90.)
Ausgangssituation ist der Fluss bei Mittelwasserstand (MW). Der Grundwasserkörper
ist etwa parabelförmig zum Flusswasserstand hin geneigt. Ein beständiger Zustrom
von Grundwasser aus den seitlichen Randgebirgen strömt dem Fluss zu. Steigt der
Fluss nun zunächst auf das Niveau eines Hochwassers mit jährlicher
Eintrittswahrscheinlichkeit (W1) dringt Uferfiltrat in die Flussnahe Aue ein. Da das
Vorfluterniveau gestiegen ist, beginnt sich der Grundwasserstand zu heben. Steigt
der Wasserstand im Fluss weiter auf das Niveau eines „Jahrhundert“-Hochwassers
(W100), werden weite Teile der Aue direkt überschwemmt. Große Mengen
Uferfiltrats dringen in den Untergrund ein. Das Uferfiltrat dominiert gegen über dem
Grundwasserrückstau. Reicht der überschwemmte Rhein bis an den
Rheinhauptdamm, dringt Uferfiltrat oftmals in großen Mengen in den hinter dem
Damm gelegenen Senken aus.
V.3.3. Modell für vorrübergehend erhöhnten Wasserstand (Abb. 91. und 92.)
In den seltensten Fällen steigt der Rhein von einem über längere Zeit konstanten
niedrigen Wasserstandsniveau auf ein höheres oder umgekehrt. Häufig verfügt eine
Hochwasserwelle über mehrere Gipfel und zeichnet sich durch ein ebenso rasches
Ansteigen wie Absinken aus. Dementsprechend komplex ist auch die Ausbreitung
der Druckwasserwelle im Auensubstrat. Das folgende Modell beschreibt die Dynamik
30
Siehe Hofmann, E.F. (1939): Grundwasserstandsänderungen im Oberrheintal. Dissertation,
Karlsruhe.
89
des Grundwasserkörpers infolge einer eingipfligen, rasch ansteigenden aber auch
wieder absinkenden Hochwasserwelle:
Bei einem nur kurzfristigen Anstieg des Rheinwasserstandes dringen zunächst
Ufterfiltrat und Grundwasser in den flussnahen Untergrund ein. Sinkt der
Flusswasserstand wieder rasch ab, fallen auch die ufernahen Bereich wieder
trocken, während sich die Druckwasserwelle mit abnehmender Amplitude im
Untergrund landeinwärts weiter ausbreitet. Bei derartigen Ereignissen sind in entfernt
vom Fluss gelegenen Senken zu einem Zeitpunkt Druckwasseraustritte zu
beobachten, an dem die rheinnahen Senken bereits wieder trocken gefallen sind.
V.3.4. Modell für den Druckwassertyp „Schänzel“ (Abb. 93.)
Im Auwald am Südöstlichen Rand der Rheinhäuser Weide fiel bei Beobachtungen im
Gelände auf, das im Waldstück „Schänzel“ rheinferne Senken zu einem früheren
Zeitpunkt Druckwasserauftritte aufwiesen als rheinnahe Senken. Eine Erklärung
hierfür könnte folgendes Modell liefern:
Zwei zum Rhein parallele, etwa gleich tiefe Senken liegen bei Niedrigwasserständen
des Rheins trocken. Aufgrund des zum Rhein hin abnehmenden
Grundwasserspiegels liegt der Grund der weiter vom Fluss entfernten Senke näher
am Grundwasserspiegel als derjenige der rheinnahen Senke. Bei einer raschen
Wasserstandsänderung des Flusses durch eine Hochwasserwelle steigt der
Grundwasserspiegel nach dem oben geschilderten Schema an und Grundwasser tritt
zuerst in der rheinfernen Senke aus. Hält der erhöhte Wasserstand über einen
längeren Zeitraum an, steigt der Grundwasserspiegel weiter und erreicht mit ein bis
zwei Tagen Verzögerung auch die rheinnahe Senke
V.3.5. Modell für den Druckwassertyp „Burglache“ (Abb. 94. bis 97.)
Die „Burglache“ (auch „kleine Koller“ bezeichnet) östlich von Waldsee wies bei
Hochwasserereignissen nur sehr verzögert Druckwasseraustritte auf. Einmal
eingedrungenes Wasser verblieb dann allerdings über lange Zeit in der Senke. Mit
folgender Modellmodifikation ließe sich diese Inundationsdynamik erklären. Eine
natürliche Senke B (z.B. eine verlandete Schlute), ist durch mächtige Tonpakete im
Untergrund gegen Wasseraustritte abgedichtet. Die benachbarte und gleich tiefe
Senke A ist nicht mit wasserundurchlässigen Sedimenten versiegelt. Erst bei stark
erhöhten Wasserständen, welche in den benachbarten Senken A bereits zu
erheblichen Wasseraustritten geführt haben, tritt auch in Senke B Wasser aus. Da
die Senke am Grunde gegen aufquellendes Wasser „versiegelt“ ist, beginnt sie sich
erst mit Wasser zu füllen, wenn der Grundwasserstand so weit angestiegen ist, dass
Druckwasser von den Seiten her einsickert. Einmal eingedrungenes Wasser verbleibt
allerdings auch nach einem Absinken des Fluss- und Grundwasserstandes in B und
verdunstet nur sehr allmählich. In Senke A hingegen versickert das Wasser bei
sinkendem Rheinstand genauso schnell, wie es zuvor aufgequollen ist.
V.4. Typisierung von Inundationsflächen anhand der
Untersuchungsergebnisse
Die
Ergebnisse
der
Inundationsflächenkartierungen
und
Druckwasserflächenuntersuchungen haben gezeigt, dass Entstehen und Trockenfallen von
Inundationsflächen verschiedene Ursachen und Erscheinungsformen haben kann. In
bisherigen Arbeiten wurde lediglich unterschieden zwischen direkt durch den
90
ausufernden Rhein oberflächlich geflutete Inundationsflächen und binnendeichs, im
vermeintlich hochwassersicheren Teil der Aue durch aus dem Untergrund
aufquellendes Wasser gebildeten Druckwasserflächen. Die Arbeiten im
Untersuchungsgebiet machten deutlich, dass eine genauere Unterscheidung der
Inundationsflächen
möglich und sinnvoll ist. Eine Übersicht zu den bisher
betrachteten Inundationsprozessen ist in Abb. 98. bis Abb. 103. dargestellt. Im
folgenden soll eine mögliche Typisierung von Inundationsflächen vorgestellt werden:
V.4.1. Unterscheidung von Überschwemmungsflächen nach der Herkunft
des einströmenden Wassers
Nach der Ursache der Inundation bzw. dem Ursprung des einströmenden Wassers
lassen sich drei Gruppen unterscheiden :
I.
Direkte Inundationen durch den ausufernden Fluss:
Es handelt sich hierbei um diejenigen Flächen, die durch den - in Folge eines
Wasserstandsanstiegs ausufernden - Rhein oberflächlich überschwemmt werden:
Die „direkten“ Überschwemmungsflächen. Eine entlang des Hauptgerinnes
stromabwärts fließende Hochwasserwelle breitet sich zumeist über die Altarme und
verlandeten Schluten und Gießen rasch in die rezente Aue aus. Die hierbei
entstehenden Inundationsflächen stehen mit dem Wasserstand des Rheins in
engem Kontakt. Einem Anstieg oder Absinken des Flusswasserstandes folgen sie
mit wenigen Stunden, in großer Entfernung vom Hauptgerinne maximal mit einem
Tag Verzögerung. Wenn sich der Fluss wieder aus der Aue zurückzieht, bleiben in
zahlreichen Geländesenken Restwasserflächen zurück. Besteht das Substrat in
diesen Senken aus wasserdurchlässigen Sedimenten, versickert das Restwasser
bei sinkenden Wasserständen rasch. Sind die Senken dagegen z.B. durch eine
Tonschicht versiegelt, fallen sie erst durch Verdunstung bzw. sehr langsames
Versickern nach Monaten wieder trocken.
II.
Sickerwassersammelflächen
Ferner waren oftmals in Dammnähe Geländesenken zu beobachten, in denen sich
das in der näheren Umgebung austretende und oberflächlich abfließende Wasser
sammelte. Im Gegensatz zu den „echten“ Druckwasserflächen erfolgt der
Wasseraustritt nicht in unmittelbarer Nähe der Senke. Stattdessen fließt das
aufquellende Wasser nach seinem Austritt oberflächlich, der Morphologie des
Geländes folgend ab und sammelt sich - sofern es nicht in Gräben oder Schluten
abfließen kann, in den tiefsten Punkten. Ein Beispiel hierfür ist die Inundationsfläche
„Koller I“, in der sich das am Dammfuß austretende Wasser sammelte. Auch im
Bereich der „Goldgrube“ südlich von Speyer und nahe der Mülldeponie nördlich von
Speyer konnten während des Pfingsthochwassers 1999 an zahlreichen Stellen
Wasseraustritte aus dem Dammfuß beobachtet werden, die zu einer Entstehung
solcher Sickerwassersammelflächen führten. Zu diesem Inundationsflächentyp sind
auch diejenigen Flächen zu zählen, die durch das in Entwässerungsgräben
gesammelte und abgeleitete Druckwasser gespeist werden.
III.
„Echte“ Druckwasserflächen
Mit „echten“ Druckwasserflächen sind hier diejenigen Inundationsflächen bezeichnet,
die durch in der Geländesenke selbst aufquellendes Wasser entstehen (wie z.B.
„Falkenhof“ und „Auf der Au“ in den aufgelassenen Tongruben und verlandeten
91
Altarmen des Rheins). Die „echten“ Druckwasserflächen konnten auch (bzw.
gerade) in deutlicher Entfernung vom Rhein bzw. vom Rheinhauptdamm
nachgewiesen werden. Bei diesen Flächen war eindeutig auszuschließen, dass ihr
Wasser aus oberflächlichem Abfluss stammte. Für die „echten“ Druckwasserflächen
ist charakteristisch, dass sie erst mit deutlicher Verzögerung auf den
Wasserstandsanstieg des Rheins reagieren. In einigen Fällen war ein Aufquellen
von Wasser aus dem Untergrund erst einige Wochen nach dem Maximum des
Rheinmaximums zu beobachten.
Die Dynamik der direkten Überschwemmungsflächen ist relativ gut dokumentierbar
und prognostizierbar: Bei allen beobachteten Hochwasserereignissen war sowohl für
ansteigende, als auch für sinkende Wasserstände eine direkte Abhängigkeit
zwischen dem Ausmaß der direkten Überschwemmungsflächen und dem
Wasserstand am Pegel Speyer festzustellen. Bei gleich hohen Maximalwasserständen
deckten sich die direkten Überschwemmungsflächen der
verschiedenen beobachteten Hochwasserereignisse. Eine Prognose des Ausmaßes
der Inundationen ist bei diesem Überschwemmungsflächentyp vergleichsweise
einfach, da der Wasserstand des Rheins und die relative Höhenlage der
entsprechenden Fläche zum Strom die dominanten Faktoren der Entstehung dieser
Flächen sind und somit aufgrund von empirischen Hochwasseruntersuchungen eine
eindeutige Zuordnung von Inundationsflächen zu einem definierten Wasserstand
möglich ist.
Die Dynamik der durch aus dem Untergrund aufquellendes Wasser gespeisten
Inundationsflächen ist dagegen wesentlich komplexer und schwerer zu
prognostizieren.
V.4.2. Unterscheidung der Inundationsflächen nach dem Substrat
Das Beispiel von „Burglache“ und “Falkenhof“ zeigte, dass sowohl der Zeitpunkt des
Aufquellens, als auch das Versickern von Druckwasser bei direkt benachbarten
Flächen stark variieren kann. Wie die Bodensondierungen im Sommer 2000 ergaben,
ist dies in erster Linie auf die kleinräumige Verteilung von Wasserleitern und hemmern im Substrat zurückzuführen. Gerade die Frage, wie lange einmal
ausgetretenes Wasser in einer Druckwasserfläche verbleibt, ist aber z.B. für die
Stechmückenbekämpfung, für die Raumplanung und die Forschung (z.B.
Renaturierungsmaßnahmen in der Aue) von besonderem Interesse. Inundationsflächen lassen sich deshalb sinnvollerweise in zwei weitere Gruppen unterteilen – in
Inundationsflächen mit wasserleitenden und mit wasserhemmenden Sedimenten im
Untergrund. Die Abgrenzung erfolgte im Rahmen dieser Arbeit über die Bodenart.
Bei Inundationsflächen mit wasserdurchlässigen Sedimenten dominieren die Sandund Kiesanteile bzw. der sogenannte sandige Auenmergel. Wasserstandsänderungen im Rhein bzw. im Grundwasserspiegel breiten sich rasch in den
Sedimentkörpern aus und führen, wenn die Oberfläche des Grundwasserspiegels
den tiefsten Punkt einer Senke erreicht, zu oberflächlichen Wasseraustritten. Das
Wasser tritt kurze Zeit nach dem Ansteigen des Rheinwasserstandes – je nach
Entfernung zum Rhein erfahrungsgemäß innerhalb eines Zeitraums von 1/2 bis 3
Tagen – in den Senken aus, verschwindet aber auch ebenso rasch wieder. Die
Entwicklung der Wasserstände entspricht in diesen Senken in etwa den Ganglinien,
wie MATTHES sie 1958 für die Parkinsel beschrieben hat (siehe Abb. 18.).
Bei Inundationsflächen mit wasserhemmenden Sedimenten handelt es sich oftmals
um verlandete Rheinarme bzw. Hochwasserrinnen, die am Grund der Senke mit
92
einer mehreren
Meter mächtigen Tonschicht gegen aufquellendes Wasser
abgedichtet sind. Infolgedessen sind Quellhorizonte in diesen Flächen in der Regel
nicht in der Tiefenlinie, sondern vielmehr an den Seitenwänden der Senken zu
beobachten. Das Wasser tritt in diesen Flächen erst mit erheblicher Verzögerung
zum Rheinwasserstandsmaximum aus, zu einem Zeitpunkt also, in dem der Rhein
manchmal bereits seinen Mittelwasserstand wieder erreicht hat. Aufgrund der
Tonpakete können
bei Hochwasser gespannte Grundwassersituationen mit
artesische Druckwasserquellen auftreten. Oftmals wurden die Tonvorkommen dieser
Geländesenken bereits im Mittelalter zur Tongewinnung genutzt. Dabei wurden in
einigen Fällen die Tonschichten soweit abgetragen, dass darunterliegende
wasserleitende Sedimente angestochen und damit Quellfenster inmitten der Senken
geschaffen wurden (wie z.B. bei der Druckwasserfläche „Auf der Au“ bei Waldsee).
Die Tonpakete hemmen aber nicht nur ein rasches Aufquellen von Grundwasser,
sondern verhindern auch ein Versickern von einmal eingedrungenem Wasser.
Beispielsweise stand das Wasser, das während des Junihochwassers 1999 in die
Druckwasserfläche „Burglache“ bei Waldsee eindrang, bis einschließlich September
1999 in der Senke.
V.4.3. Unterscheidung der Inundationsflächen in Abhängigkeit vom für eine
Flutung abhängigen Wasserstand
Wann Inundationsflächen entstehen oder wie stark die Schüttung von
Druckwasseraustritten ist, hängt in erster Linie vom Wasserstand des Rheins ab.
Gerade für die Flutung von Druckwasserflächen mit wasserhemmenden Sedimenten
im Untergrund ist es notwendig, dass der Fluss einen bestimmter Wasserstand über
einen längeren Zeitraum hin nicht unterschreitet, da der Grundwasserstand sich erst
mit einer gewissen Verzögerung auf das neue Niveau einstellt. Darüber, welcher
Wasserstand über einen wie langen Zeitraum erreicht werden muss, damit ein
Austritt von Wasser in den Senken erfolgt, können keine allgemeinen Aussagen
getroffen werden, da gerade Druckwasserflächen eine sehr individuelle
Inundationsdynamik aufweisen. In vielen Fällen verändert sich die Inundationsdynamik in ein und derselben Fläche ab einem bestimmten Wasserstand. Während
z.B. bei lang anhaltenden Wasserständen von 1,5 m. ü. MW in einer Senke sich
Quellhorizonte öffnen, es sich also nach der soeben vorgeschlagenen Einteilung um
eine „echte“ Druckwasser handelt, können sich bei weiter steigenden
Wasserständen ab 2m ü. MW stark schüttende Hochwasserquellen in der Umgebung
der Senke öffnen und diese zusätzlich mit oberflächlich einfließendem Wasser
füllen. In diesem Fall wäre diese Senke also bei Wasserständen bis 1,5m ü. MW als
Druckwasserfläche und bei weiter steigenden Wasserständen ab 2m ü. MW als
Sickerwassersammelfläche zu charakterisieren. Ebenso können in der rezenten Aue
befindliche Druckwasserflächen sich ab einem bestimmten Wasserstand in direkt
vom Fluss überschwemmte Flächen verwandeln.
V.4.4. Herkunft des Wassers in den Druckwasserflächen
Für ein besseres Verständnis der oberflächennahen Grundwasserströme und im
Zusammenhang mit Baumaßnahmen in der Rheinniederung ist auch die Herkunft
des in den Druckwasserflächen austretenden Wassers von Interesse. Während es
sich bei den Druckwasserflächen oftmals um aufquellendes Grundwasser, das von
den
Randgebirgen
Richtung
Rhein
strömt,
handelt,
werden
die
Sickerwassersammelflächen
zumeist
durch
Uferfiltrat,
welches
in
der
überschwemmten Aue in den Untergrund eintritt und unter dem Rheinhauptdamm
oberflächennah hindurchsickernd in den innendeichs gelegenen Senken wieder
93
austritt, gespeist. Im Gelände zu entscheiden, ob es sich bei dem in einer Senke
aufquellendes Wasser um Uferfiltrat oder Grundwasser handelt,
stellt ein
methodisches Problem dar. Oft lässt sich die Herkunft des Wassers aus der
Morphologie und der Lage der Druckwasserfläche zum Rhein vermuten. A.
KIRSTEIN befasste sich im Rahmen des vorliegenden Promotionsprojektes in seiner
Diplomarbeit am Geographischen Institut der Universität Heidelberg mit der Frage,
inwieweit sich die Wasserleitfähigkeit als Kriterium für die Unterscheidung von
Uferfiltrat und rückgestautem Grundwasser nutzen lässt. Für weitere Informationen
zur angewandten Methodik und den Untersuchungsergebnissen sei auf diese Arbeit
verwiesen:
KIRSTEIN, A. (2002): Die zeitliche und räumliche Dynamik von Druckwasserflächen
in den Rheinauen zwischen Mannheim und Altlußheim. Eine Modelluntersuchung zur
Beurteilung von kleinräumigen Überschwemmungsflächen. unveröffentlichte
Diplomarbeit. Heidelberg.
V.4.5. Vorschlag für eine Terminologie zur Charakterisierung von
Inundationsflächen
Anhand der Kriterien in Abschnitt V.4.1. bis V.4.3. lassen sich die in im
Untersuchungsgebiet beobachtbaren Haupttypen der Überschwemmungsflächen
voneinander abgrenzen. Der folgende Vorschlag für eine Bezeichnung von
Inundationsflächen soll dazu dienen, die wichtigsten Informationen auf einen Blick
z.B. als Zusatzinformation in einer Inundationsflächenkarte verfügbar zu machen.
Die Grundtypen der Inundationsflächen werden folgendermaßen bezeichnet:
Direkte Inundationsfläche:
DI
Druckwasserflächen:
DWF
Sickerwassersammelflächen:
SWF
Diese Grundtypen erhalten die durch einen Schrägstrich abgetrennten Zusätze
wl für wasserleitende Sedimente oder
wh für wasserhemmende Sedimente im direkten Untergrund der Inundationsfläche.
Aus der Kombination dieser beiden Abgrenzungsmerkmale ergeben sich die sechs
wichtigsten Inundationsflächentypen:
-
-
-
DI/wh: Direkte Inundationsflächen mit wasserhemmenden Sedimenten im
Untergrund. Diese Flächen zeichnen sich dadurch aus, dass nach einem
Absinken des Rheinwasserstandes in diesen Flächen das Wasser noch lange
stehen bleibt und nur allmählich verdunstet.
DI/wl: Dagegen verschwindet in den Direkten Überschwemmungsflächen mit
wasserleitenden Sedimenten im Untergrund das Wasser fast ebenso schnell, wie
es während des Hochwassers einströmte.
DWF/wh: Bei den Druckwasserflächen mit wasserhemmenden Sedimenten im
Untergrund handelt es sich zumeist um langsam verlandete Hochwasserrinnen
und Schluten mit mehreren m mächtigen tonigen Böden (oftmals mit
Pseudogleyhorizonten). Wasser dringt bei Hochwasserereignissen in diese
Senken erst mit erheblicher Verzögerung ein. Ebenso erreicht der Wasserstand
sein Maximum in diesen Flächen erst Tage bis Wochen nach der
Hochwasserspitze des Rheins. Einmal in diese Senken eingedrungenes Wasser
versickert kaum mehr.
94
DWF/wl:
Senken, in denen mit geringer Verzögerung zu den
Wasserstandsanstiegen im Fluss Wasser an den tiefsten Punkten austritt. Der
Wasserstand in der Senke repräsentiert in etwa die Höhe des
Grundwasserstandes – sinkt dieser wieder, beginnt auch in der Senke das
Wasser wieder zu versickern.
- SWF/wh: Diese Senken liegen zumeist in unmittelbarer Nähe zum
Rheinhauptdamm oder zu Bächen und Gräben, in einigen Fällen jedoch auch
weit vom Fluss entfernt in der Nähe von artesischen Hochwasserquellhorizonten.
Während des Hochwasserereignisses aus dem Dammfuß (oder aus
Hochwasserquellen) ausdringendes Sickerwasser sammelt sich in diesen
Flächen und verbleibt dort aufgrund des tonigen Boden über Wochen.
- SWF/Wl: wie SWF/Wh, nur dass der Wasserstand in diesen Senken rasch auf
die Änderungen des Rheins reagiert.
-
Weiterhin werden diese sechs Haupttypen mit einem in Klammern gesetzten Zusatz
versehen, aus dem hervorgeht, auf welche Wasserstände sich die Charakterisierung
der Fläche bezieht. Die Wasserstandsangaben werden in cm in Bezug zum
Mittelwasserstand gesetzt. Aus der Legende der Karte muß natürlich der genaue
Wert des Mittelwasserstandes hervorgehen. Beispiel:
Bei dem in der Böllenwörth bei Otterstadt gelegenen „Ketscher Teich“ handelt es
sich bei Wasserständen von etwa 1,2m bis 3m. ü. MW um eine Fläche des Typs
DWF/Wl. Bei Wasserständen über 3m ü. MW wird diese Senke von oberflächlich
einströmendes Wasser aus dem Otterstädter Altrhein geflutet. Nach der
vorgeschlagenen Terminologie erhält sie deshalb die Bezeichnungen DWF/wl(120 –
300); DI/wl(300+).
Ein Beispiel für die Verwendung dieser Terminologie stellt die Karte in Abb. 151. dar.
95
VI. Ergebnisse der Auswertung historischer Karten
Eine GIS-gestützte Auswertung historischer Karten scheitert in den meisten Fällen an
ihrer mangelnden geodätischen Genauigkeit. Doch für das Untersuchungsgebiet
liegen mit den Rheingrenzkarten31 aus den Jahren 1856 bzw. 1875 für GIS-Analysen
hervorragend geeignete Kartenwerke im Maßstab 1:20.000 vor: Die Karten besitzen
eine vermessungstechnisch einwandfreie Grundlage und verfügen über eine hohe
Detailtreue. Zur Entstehungsgeschichte und eingehenderen Beschreibung des
Kartenwerkes sei auf die im Rahmen des vorliegenden Promotionsprojektes erstellte
Diplomarbeit von CLEMENS JAKOBS verwiesen (JAKOBS 2002, S.6ff).
Das größte Hindernis bestand in der digitalen Aufbereitung der
original
Rheinstromatlanten. Glücklicherweise konnte auf einen Hinweis von Prof. Dr. H.
Musall hin ein Exemplar der Rheingrenzkarten im Rehbock-Institut der Universität
Karlsruhe ausfindig gemacht und eingescannt werden32. Der Erhaltungszustand der
beiden Atlanten des Rehbock Laboratoriums war erfreulicherweise sogar deutlich
besser als der im Generallandesarchiv archivierten. Gescannt wurden die
Kartenblätter auf einem DIN A3 Flachbrettscanner bei einer Auflösung von 300 dpi.
Eine höhere Auflösung hätte die Kartenscans für zur Verfügung stehenden Rechner
nicht mehr bearbeitbar gemacht.
Ein zeitaufwendiger Arbeitsschritt war die Transformation der Karten von ihrem
Soldnerschen Koordinatensystem in das Gauss-Krüger System. Der ursprüngliche
Plan, die Transformation der Karten über Passpunkte im Gelände vorzunehmen,
scheiterte daran, dass sich die Landschaft in der Rheinaue seit dem 19. Jh. zu stark
gewandelt hat: Bis auf wenige Kirchtürme war es nicht möglich, seit Entstehung der
Karten unveränderte räumliche Objekte wie z.B. einzelstehenden Häuser,
Straßenkreuzungen oder Denkmälern zu identifizieren. Als imaginäre Passpunkte
wurden deshalb die auf den Karten eingezeichneten Kreuzungspunkte des
Soldnerschen
Gitternetzes
verwendet,
die
JACOBS
mit
einem
Transformationsprogramms des Vermessungsamtes der Stadt Heidelberg für unser
Untersuchungsgebiet in das Gauss-Krüger System umrechnete33. Am CESAR
Laboratory stand mir dann erfreulicherweise die technische Ausstattung zur
Verfügung, um die Scans der historischen Karten auf Grundlage dieser Passpunkte
zu georeferenzieren. Die Transformationsparameter sind in Tab. 7. angegeben.
Um die relevanten Inhalte (Landnutzung, Wasserflächen, usw.) der georeferenzierten
Karten zu vektorisieren und in ArcView zu implementieren, kamen zwei Verfahren in
Frage. Am arbeitsökonomischsten lässt sich dieser Prozess mit einer überwachten
Klassifizierung und dem anschließendem Export der Klassifizierungsergebnisse als
ArcInfo Coverages in IMAGINE 8.4. bewerkstelligen. Da diese Arbeiten aber aus
Zeitgründen am CESAR Laboratory nicht mehr vorgenommen werden konnten und
das Geographischen Institut über die IMAGINE 8.4. Lizenzen noch nicht verfügte,
31
Vollständiger Titel der Rheinstromatlanten: Carte über den Lauf des Rheins von Lauternburg bis
unterhalb Sandhofens längs der badisch-bayerischen Grenze in 8 Blättern nach dem Maasstab von
1:20000 d.n.GR.. Darstellend des Zustand des Stromes in den Jahren 1856-58 [1875] wie solcher
infolge der zwischen beiden Uferstaaten über die Regulierung des Stromes getroffene Vereinbarung,
seit dem jahre 1817 bis dahin herbeigeführt wurde. Unter benützung vorhandener Materialien
größtenteils aber nach neuen Aufnahmen bearbeitet auf dem technischen Bureau der Großh.
Oberdirection des Wasser- und Straßenbauamtes.
32
An dieser Stelle sei Herrn Dr. BERNHARDT vom Rehbock-Institut für die freundliche Hilfe und
Bereitstellung der Atlanten herzlich gedankt.
33
Zur Transformation der Gitterpunkte vom Soldner- in das Gauß-Krüger-System siehe JAKOBS
2002, S.14f.
96
wurden die transformierten Imagine-files per ftp-Verbindung zurück an das
Geographische Institut in Heidelberg gesandt, und dort in ArcView am Bildschirm
vektorisiert.
Im GIS konnten die verschiedenen Informationsebenen der historischen Karten nun
mit den ebenfalls vektorisierten Ergebnissen der Inundationsflächenkartierungen im
Gelände und den Auswertungsergebnissen der Luftbildinterpretation verglichen und
analysiert werden.
VI.1. Quantifizierung der historischen Landnutzung und des
Landschaftswandels in der Rheinniederung
Eine
quantitative
Bilanzierung
des
Landschaftszustandes
bzw.
des
Landschaftswandels in der Rheinaue des 19. Jahrhunderts wurde erstmals im
Rahmen des vorliegenden Promotionsprojekts von CLEMENS JAKOBS
vorgenommen. Die Vorgehensweise bei der Kartenaufbereitung-, -auswertung und analyse sowie die gewonnenen Ergebnisse sind ausführlich in seiner Diplomarbeit
beschrieben (siehe JAKOBS 2002). Im folgenden Abschnitt werden deshalb lediglich
die für die Entwicklung der Inundationsflächen relevanten Ergebnisse vorgestellt und
um weitere, in der Diplomarbeit noch nicht behandelte Aspekte und
Auswertungsergebnisse ergänzt:
VI.1.1. Zustand und Wandel der Landschaft im Untersuchungsgebiet von
1856 bis 1875
In Abb. 104. und Tab. 8. sind die Anteile der verschiedenen Formen der
Landnutzung an der Gesamtfläche des Untersuchungsgebietes im Jahre 1856 in
Karte und Tabelle dargestellt34. Das weite Gerinnebett des Rheins machte 13,37%
der gesamten Rheinniederung aus (die offenen Wasserflächen lagen bei 9,14%, die
offenen Sand- und Kiesbänke des weiteren Flussbettes bei 4,23%). Der Waldanteil
lag bei 18,86%, Ackerflächen machten 28,32% und Grünland insgesamt 35,51% des
Untersuchungsgebietes. Die Angaben basieren auf der Auswertung der
Rheinstromatlanten von 1856 (JACOBS 2002).
Es wurde bereits auf die Intensivierung der Landnutzung und die Oberrheinkorrektion
begleitende Meliorationsmaßnahmen im 19. Jahrhundert hingewiesen. Es ist davon
auszugehen, dass die Flächen der Rheinaue der jeweils intensivsten Landnutzung
zugeführt wurden. Deshalb wurde bei der Interpretation der historischen Karten die
extensive Nutzung einer Fläche als Indikator für eine häufige Überschwemmung oder
zumindest für eine starke Vernässung des Bodens gewertet. Diese These spielt bei
den späteren Auswertungen eine große Rolle und wird deshalb an dieser Stelle kurz
behandelt:
Neben hydrologischen Ursachen käme auch eine schlechte Bodengüte als Grund für
eine extensive Landnutzung in Frage. Gegen die Bodengüte- und für die
Bodenfeuchte-These sprechen jedoch die Nutzungsänderungen zwischen 1856 und
1875 (siehe Tab. 9.). Bis zum Jahre1875 wurde bereits etwa 1/4 des Waldbestandes
von 1856 gerodet und einer intensiveren Nutzung zugeführt. Von den insgesamt
606,96 ha gerodeten Wald wurden mehr als ¾ in Ackerfläche umgewandelt, weshalb
eine schlechte Bodengüte hier als Ursache der vormalig extensiven Nutzung
ausscheidet. Zu den extensiv genutzten Flächen zählen neben dem Wald auch die
Grünlandflächen, auf denen hauptsächlich Futter für die Stallfütterung gewonnen
34
Die nun folgenden Angaben basieren auf der Auswertung der Rheinstromatlanten von 1856 und
1875 durch JAKOBS 2002
97
wurde. Insgesamt wurden 391,45ha (9,5%) des Grünlandbestandes von 1856 bis
1875 einer höherwertigeren Nutzung zugeführt
Dass sich die Waldfläche im Untersuchungsgebiet insgesamt zwischen 1856 und
1875 kaum veränderte, liegt daran, dass die Rodungen durch die Bestockung großer
Teile des ehemaligen Rheingerinnes nahezu wieder ausgeglichen wurden.
Insgesamt wurden im Untersuchungsgebiet bis 1875 etwa 468 ha (d.h. 4% der
Fläche von 1856) des ehemaligen Rheingerinnes in Wald umgewandelt. Der Wald
verschob sich insgesamt zum Rhein hin – hinter den Dämmen nahm der Wald ab, in
der verbliebenen, eingedeichten Aue nahm er zu.
Das Landschaftselement, dass die größten Flächenverluste erfuhr, waren die offenen
Sand- und Kiesbänke des Rheins mit minus 74,02%, womit sich belegen lässt, dass
die korrektionsbedingte Unterbindung der natürlichen morphodynamischen Prozesse
bereits 1875, also noch vor dem Buhnenbau unter Max Honsell eingetreten war. Der
Anteil der Sand- und Kiesflächen an der Gesamtfläche lag 1856 zwar nur knapp
über 1% , doch ihr Verlust hatte dramatische Folgen für die Artenvielfalt und
bedeutete das Ende der einst so bedeutsamen Rheinfischerei. Auch die bereits im
Niedergang befindliche Goldwäscherei fand damit ihr endgültiges Ende.
Es soll an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen werden, dass über den
Zustand des Untersuchungsgebietes vor Beginn der Oberrheinkorrektion kein im GIS
auswertbares Kartenmaterial vorliegt. Zum Zeitpunkt der Aufnahme der
Rheingrenzkarte von 1856 hatten sich jedoch mit Sicherheit schon starke
Veränderungen in der Landnutzung ergeben. Nur so ist es beispielsweise zu
erklären, dass z.B. der Anteil der feuchten Wiesen bereits 1856 lediglich bei 0,06%
der Gesamtfläche liegt. Die Entwässerung des Grünlandes scheint im
Untersuchungsgebiet bereits vor der Erstellung der ersten Rheingrenzkarte
weitestgehend abgeschlossen gewesen zu sein.
V.1.2. Wandel der Landschaft im Untersuchungsgebiet von 1856 bis 1999
Der Vergleich von aktuellen topographischen Karten und Luftbildern mit den
historischen Karten im GIS ermöglicht eine Fortführung der Untersuchung des
Landschaftswandels bis in die Gegenwart. Ein Vergleich gestaltet sich allerdings
etwas schwieriger als der im letzten Abschnitt vorgestellte, da die Karten von 1856
und 1875 jeweils auf der gleichen Flächenklassifizierung beruhen, die Interpretation
der heutigen Landnutzung hingegen direkt aus dem unklassifizierten Luftbild erfolgen
muss. Die amtlichen topographischen Karten weisen gerade bei der Flächennutzung
eine wesentlich undifferenziertere Klassifizierung als die Rheinstromatlanten auf und
eignen sich für derartige Vergleiche schlechter als ein Luftbild. Der bereits im 19.
Jahrhundert einsetzende dramatischen Rückgang der offenen Sand- und Kiesflächen
setzte sich weiter fort und resultiert in einer vollständigen Elimination dieses
Flächentyps im Untersuchungsgebiet bis 1999. Die vereinzelt im Gelände
beobachteten offenen Sandflächen sind im Maßstab 1:20000 der Rheinstromkarten
nicht mehr darstellbar. Von den 1856 noch existierenden 522 ha Sand- und
Kiesbänken wurden bis 1999 rund 185 ha vom heutigen Rhein und seinen
ausgebaggerten Seitenarmen aufgenommen, die verbliebenen 336 ha sind mit Wald
bestanden.
98
VI.2. Genese der direkten Inundationsflächen
Die Methode der GIS-gestützten Interpretation historischer Karten lässt sich zur
Klärung der Entstehungsgeschichte der bereits für das Untersuchungsgebiet
identifizierten rezenten Überschwemmungsflächen nutzen. Zunächst soll der Frage
der Genese der häufig, d.h. bei Wasserständen von 0,5 m bis 2,25 m ü. MW.
überschwemmten Inundationsflächen nachgegangen werden. Auf die Rolle dieser
Flächen als bevorzugte Stechmückenbrutplätze wurde ebenfalls hingewiesen.
Anhand der folgenden Beispiele soll kurz die Entstehung dieses
Inundationsflächentyps illustriert werden:
VI.2.1. Böllenwörth
Der Durchstich des Otterstädter Mäanderbogens, der die Koller in eine Insel
verwandelte, erfolgte 1833. Im großherzoglich badischen Atlas von 1838 ist der
Fluss noch immer in seinem alten Lauf abgebildet (siehe Abb. 105.). Im Jahre 1839
nahm der Rhein dann sein neues Bett an. Auf der Rheinstromkarte von 1856 ist die
Ingestion des ehemaligen Mäanderbogens bereits vollständig verlandet und
größtenteils bewaldet (siehe Abb. 106.). Dieser Verlandungsbereich trägt heute den
Namen „Böllenwörth“. Die Geschwindigkeit, mit der der Verlandungsprozess
voranschritt, mag zunächst erstaunen, ist aber auf die Maßnahmen der
Neulandgewinnung im Rahmen der Oberrheinkorrektur zurückzuführen (siehe
JAKOBS 2002, S.57):
In den Ingestionen der Altrheine wurden zur Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit und zur Förderung der Sedimentation von den Seiten her
einengende Bauwerke und Sohlenschwellen aus Faschinenbündeln angelegt.
Frische Verlandungen wurden mit Weiden als „Sedimentationsfallen“ bepflanzt (siehe
Abb. 107.). Die Bepflanzung erfolgte mit einfachen Weideruten, die einzeln oder in
Form von quer zum Altwasser gesteckten Flechtzäunen rasch im Schlamm
wurzelten. Eine andere Methode waren die „Entennester“, bei denen kreuzförmig
gegeneinander versetzte Löcher mit Erde gefüllt und mit Weideruten und –astholz
umsteckt wurden. Bei all diesen Maßnahmen ließ man immer einen Durchlass offen,
um eine weitere Sedimentzufuhr auch bei niedrigeren Wasserständen
sicherzustellen. Die Methode der Landgewinnung durch Bepflanzung ist keine
Neuerung des 19. Jahrhunderts, sondern wurde nachweislich bereits im
Spätmittelalter gepflegt. Die sich im Strom neubildenden Kies- und Sandbänke, auf
welche meist die Heidelberger Kurfürsten als „Herren des Rheins“ Anspruch
erhoben, wurden zur Neulandgewinnung ebenfalls so bald wie möglich mit Weiden
bepflanzt (MUSALL 1971, S.650).
Die 1856 im Bereich der Böllenwörth eingezeichnete Bewaldung hat man sich
deshalb nicht als Hochwald, sonder als Weiden-Niederwald vorzustellen. Im
äußersten Norden und Süden der Böllenwörth, entlang der ehemaligen Ufer des
Flussbettes, befanden sich 1856 vegetationslose, bei höheren Wasserständen
durchströmte Schluten. Die nördliche Schlute ist der heutige Böllenwörthgraben, die
südliche Schlute war im Osten bereits 1856 bewaldet. Durch vier kleine Schluten
standen die nördliche und die südliche Rinne miteinander in Verbindung, was der
Anordnung der Rinnen ein leiterförmiges Aussehen gab (siehe Abb. 106.). Diese
Senken sind auch heute im Gelände alle im Wald noch deutlich zu erkennen; die
südliche Schlute lässt sich als längliche Wiese besonders deutlich ausmachen (siehe
Abb. 108.b.). Bis 1875 waren auch die 1856 vegetationsfreien Schluten bewaldet und
die Verlandung des Altrheins weiter vorangeschritten (siehe Abb. 108.). Bis 1925 war
die Ingestion bis auf mehrere km Länge verschlossen und bewaldet, aus Teilen der
99
Schluten hatten sich längliche Tümpel entwickelt (siehe Abb. 109.). Die Zerstörung
dieser einst so ausgedehnten Verlandungsflächen durch die Kiesgewinnung wurde
bereits im letzten Abschnitt beschrieben.
In Abb. 110. sind die kartierten Inundationen von Wasserständen bis 225cm ü. MW.
zusammen mit dem entsprechenden georeferenzierten Kartenblatt des
Rheinstromatlasses und der heutigen Uferlinie des Rheins und der permanenten
Gewässer dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, dass sich die rezenten Inundationen
fast ausschließlich in den 1856 noch offenen Wasserflächen des Rheins oder auf
den damaligen vegetationsfreien Sand- und Kiesflächen befinden. Einzige
Ausnahmen sind der Ketscher Teich und die Schlute der Kammerwörth. Beim
Ketscher Teich ist zu vermuten, dass es sich um eine anthropogen ausgetiefte
Fläche handelt. Die Entstehung der Kammerwörthschlute ist schwer zu fassen.
Wahrscheinlich handelt es sich um die Überreste eines spätmittelalterlichen Gießens,
oder sie entstand erst während eines Hochwassers nach der Oberrheinkorrektur. In
den Rheinstromatlanten ist sie nicht verzeichnet. Erst in einer Topographischen Karte
von 1925 ist sie, allerdings bereits in ihrer heutigen Erscheinungsform, verzeichnet.
Da die direkte Verbindung im Osten der Böllenwörth zum Rhein heute völlig
unterbunden ist, werden die Senken heute bei kleineren Wasserstandserhölhungen
von Westen, vom Otterstädter Altrhein her geflutet. Dies erklärt auch, warum bei
Inundationen von bis zu 225 cm in erster Linie die Schluten im Westen der
Böllenwörth überschwemmt sind (siehe Abb. 110.). Bei höheren Wasserständen wird
allerdings das Schlutensystem von 1856 wieder vollständig aktiviert.
VI.2.2 Auwald im Süden und Osten der Rheinhäuser Weide
Um 1600 floss der Rhein bereits wie heute im großem Bogen auf Speyer zu. Nach
den ursprünglichen Plänen Tullas hätte ein Durchstich mitten durch die vom
Mäander umflossene Rheinhäuser Weide erfolgen sollen. Das Vorhaben musste
aber nach Protesten sowohl von den Speyerer Anwohnern, die ihre Weide nicht
verlieren wollten, als auch seitens Preußens und der Niederlande, die wie erwähnt
eine Verschlechterung der Hochwassersituation fürchteten, 1829 wieder aufgegeben
werden. Der Durchstich hätte den Ostteil der Weide ähnlich der Koller in eine Insel
verwandelt und den Großteil der Insel Horn im Rheinbett aufgenommen. Die Karte
von 1856 (Abb. 111.) zeigt, dass der Rhein zu Anfang des 19. Jh. zwischen der
Rheinhäuser Weide und Altlußheim in einem fast doppelt so breiten Bett floss wie
heute. Der Gleithang an der Rheinhäuser Weide bestand aus einer breiten,
vegetationslosen Sand- und Kiesbank. Die heutigen Auwaldbereiche „Schänzel“ und
„Unterer Salmengrund“ sind durch parallel zum Gleithang des Rheins verlaufende
Schluten und Uferdämme durchzogen, die der Strom bei der Verlagerung seines
Bettes nach Osten zurückließ. Bis 1875 wurde der Fluss durch die
Korrektionsarbeiten unter Tulla in sein heutiges, schmaleres Bett gebracht. Wie in
der Böllenwörth wurde der Fluss durch von den Seiten einengenden Faschinaden in
sein neues Bett gebracht. In den Bereichen hinter den Befestigungwerken setzte sich
infolge der verminderten Strömungsgeschwindigkeit Sediment ab und wurde mit
Weiden bestockt. Der 1856 noch vegetationsfreie Gleithang ist bis 1875 bereits
bestockt. Der ehemalige westliche Teil des Rheinbetts ist bis auf einen schmalen
Gießen bereits verlandet. Im Jahr 1925 ist dieser Gießen auch in seinem südlichen
Abschnitt verlandet, wobei deutlich eine quer zum Gießen verlaufende Sperrfaschine
zu erkennen ist. Im Flurstück „Salmengrund“ sind auf der Karte von 1856 deutlich
zwei isolierte Wasserbecken (vermutlich zur Salmenzucht), die mit einem
Stichgraben mit dem Rhein verbunden sind, zu erkennen. Der Graben diente
wahrscheinlich der Wasserregulierung der Becken.
100
Abb. 112. zeigt, dass sich fast alle bei Wasserständen bis 225cm ü.MW
entstehenden Inundationen im Bereich des vegetationsfreien Gleithanges von 1856
bzw. im ehemaligen Flußgerinne befinden. Auch die heute nur noch als Senken im
Gelände zu erkennenden ehemaligen Fischbecken im Salmengrund wurden
überschwemmt.
VI.2.3. Insel Horn
Im Südwesten der Rheinhausener Weide liegt die Insel Horn. Die Insel wurde auf
der Südseite vom Hauptstrom und im Norden von einem Altarm, dem
„Runkedebunk“, umflossen. In einer Handzeichnung von 1803 (siehe Abb. 113.)weist
die Ingestion des Runkedebunk bereits starke Verlandungserscheinungen auf, ist
aber noch mit dem Hauptstrom verbunden35. Die Insel wurde durch einen schmalen
Gießen, einen Eisbruch, wie aus der Karte hervorgeht, geteilt in das westliche
„Kroepfel“ und das östliche „Horn“. Bis zum Oberhausener Durchstich von 1842 blieb
der Runkedebunk mit dem Hauptstrom verbunden. Im Jahr 1856 ist dann die
Ingestion bereits bis auf zwei kleine Lachen vollständig bewaldet, die Egestion
verlandet, jedoch noch vegetationsfrei. Auf der Rheinstromkarte von 1875 ist dann
schließlich auch die Egestion bewaldet und der Runkedebunk zu einen Sichelsee
verwandelt.
Im Jahr 1925 war die Verbindung zum Berghausener Altrhein aber wieder sowohl an
Ingestion , als auch Egestion wieder hergestellt, vermutlich durch künstliche
Wasserbaumaßnahmen. Gegenwärtig ist der Runkedebunk weitgehend mit Schilf
bedeckt und steht bei Wasserständen bis 225cm ü. MW lediglich über eine schmale
Röhre in der Egestion mit dem Altrhein in Verbindung (siehe Abb. 114.).
Wie bei den bisherigen Beispielen auch befanden sich die Inundationen von 1997 im
Bereich junger Verlandungsflächen (siehe Abb. 115. und Abb. 112.). Inundationen
befanden sich im Bereich der beiden 1856 verzeichneten Lachen in der Ingestion, im
Bereich des in der Handzeichnung von 1803 dargestellten Eisbruchs und der auf der
Karte von 1925 und 1819 eingezeichneten länglichen Senken im „Horn“.
VI.2.4. Ergebnisse
Der Vergleich der Inundationsflächenkartierung mit den Rheinstromatlanten im GIS
zeigte, dass die heute bei Wasserständen bis 225cm ü. MW entstehenden
Überschwemmungsflächen eine recht einheitliche Entstehungsgeschichte aufweisen.
Zu über 98% sind diese Inundationsflächen aus jungen, durch die Oberrheinkorrektur
verursachten Verlandungsflächen hervorgegangen. Wenn dieses Ergebnis, nämlich
dass es sich bei den am häufigsten überschwemmten Inundationsflächen um junge
Verlandungsflächen handelt, auch noch so naheliegend und trivial erscheinen mag,
so hat es doch für die Praxis große Bedeutung: Mit der Auswertung historischer
Karten im GIS wurde in der vorliegenden Arbeit eine Methode erfolgreich erprobt,
diese jungen Verlandungsflächen räumlich exakt zu ermitteln. Somit ist für die Praxis
eine einfache, aber wirkungsvolle Methode, zur Identifizierung von
Inundationsflächen welche bei Wasserständen bis 2,25 cm ü.MW. geflutet werden.
Da es sich bei diesen Flächen zugleich um bevorzugte Brutplätze von Aedes Vexans
handelt, ist es mit dieser Methode möglich, potentielle Stechmückenbrutplätze
räumlich exakt zu identifizieren, noch bevor überhaupt eine Geländebegehung erfolgt
ist. Da diese Flächen aber nicht nur Aedes Vexans, sondern einem weiten Spektrum
von auenspezifischer Flora und Fauna als Lebensraum dient, ist diese Methode für
35
siehe Kartennachweis im Anhang
101
alle Anwendungen nutzbar, bei denen eine räumliche Identifizierung von
Weichholzauestandorten notwendig ist.
Aufgrund der zahlreichen jüngeren anthropogenen Überprägungen der Rheinaue
ersetzt diese Methode jedoch den Gang ins Gelände bzw. das heranziehen aktueller
Karten und Luftbilder nicht. Eine aus der historischen Kartenanalyse identifizierte
potentielle Inundationsfläche ist selbstverständlich auch nur dann eine rezente
Inundationsfläche, wenn sie nicht seit dem 19. Jahrhundert anthropogen überformt
worden ist.
VI.3. Die historische Landnutzung als Indikator für rezente
Druckwasserflächen.
Das Ausmaß der während des Pfingsthochwassers 1999 aufgetretenen
Überschwemmungen im Bereich der durch den Rheinhauptdamm vermeintlich vor
Hochwasser geschützten Altaue war deutlich größer als die Inundationen aller
Hochwasserereignisse der letzten Dekaden (s.o.). Bei der Errichtung bzw.
Ausweisung der nun plötzlich von Wasseraustritten betroffenen Industrie-, Gewerbeund
Freizeitflächen
hatte
man
offensichtlich
mit
derartig
massiven
Druckwasserproblemen nicht gerechnet. Die bisherigen Ausführungen über die
Wasserstandsentwicklung des Rheins in den letzten hundert Jahren zeigten, dass
die Bebauung dieser Flächen bzw. die Erstellung der Flächennutzungs- und
Bebauungspläne in eine Zeit fällt, in der solche Wasseraustritte nicht bzw. nur selten
erfolgten. Aufgrund mangelhafter Information über die Verbreitung der
Druckwasserflächen wurden diese Flächen zur Bebauung freigegeben – was sich
spätestens seit 1999 als eine Fehlentscheidung erwiesen hat.
Geländeuntersuchungen und Luftbildaufnahmen, wie sie im Untersuchungsgebiet
vorgenommen wurden, sind sicherlich die beste und verlässlichste Methode zur
Identifizierung von Inundationsflächen. Doch wie lassen sich Daten über die
räumliche Verbreitung von Druckwasserdaten gewinnen, wo diese Wasseraustritte
doch nur selten zu beobachten sind und es in der Vergangenheit versäumt wurde,
ihre Verbreitung zu kartieren? Für die Belange der Raumplanung sind Methoden
notwendig, die in der Lage sind, aus verfügbaren (und nicht etwa zukünftig noch zu
erhebenden) Daten die stark druckwassergefährdeten Flächen der Flussniederung
zu identifizieren und von hochwassergefährdeter Nutzung freizuhalten.
VI.3.1. Der Zusammenhang zwischen historischer Landnutzung und
rezenter Druckwasserdynamik
Im folgenden soll als mögliche Methode der Ausweisung potentieller
Druckwasserflächen die Auswertung der historischen Rheinstromatlanten im GIS
vorgestellt und diskutiert werden. Die Tauglichkeit dieser Methode hängt in erster
Linie von zwei Fragen ab:
I.
Ist die in den historischen Rheinstromatlanten abgebildete Landnutzung der
Rheinaue als Indikator für die einstige Verbreitung von Druckwasserflächen
brauchbar?
II.
Und wenn ja, ist diese historische Landnutzung dann auch ein Indikator für
die rezente Verbreitung von Druckwasserflächen?
102
Zu Frage I: Zwar waren im Zuge der Oberrheinkorrektur große Teile der Rheinaue
durch die neuen Dämme vor einer direkten Überflutung durch den Rhein geschützt;
der Grundwasserspiegel aber lag in der Flussniederung Anfang des 19. Jh. noch
immer beträchtlich höher als heute. Bereits geringe Anstiege des Rheinwasserstandes reichten aus, um den Grundwasserspiegel in der Niederung so weit
ansteigen zu lassen, dass großflächig Druckwasser austrat. Es wurde oben bereits
mehrfach darauf hingewiesen, dass die Rheinkorrektion ein Absinken des
Grundwasserstandes in der Rheinaue nach sich zog. Wie weit die Tiefenerosion des
Flusses bei der Erstellung des ersten Großherzoglichen Rheinstromatlanten im Jahre
1856 (der in diesem Projekt wichtigsten historischen Kartenquelle) nun genau
vorangeschritten war, lässt sich heute kaum mehr rekonstruieren. Allerdings hatte
der Strom im Untersuchungsgebiet zu diesem Zeitpunkt sein Bett erst seit rund einer
Dekade in die künstlichen Durchstiche verlegt. Den Angelhofer Durchstich hatte der
Rhein sogar trotz aller wasserbaulichen Anstrengungen noch immer nicht
angenommen und der Strom floss nach wie vor im alten Bett. Die Tiefenerosion
kann deshalb im Untersuchungsgebiet 1856 noch nicht weit fortgeschritten sein.
Ferner ist davon auszugehen, dass sich die Landwirtschaft nicht sofort auf das
Trockenfallen ehemals durchfeuchteter Auebereiche einstellte, sondern erst mit
einigen Jahren Verzögerung diese Flächen einer intensiveren Nutzung zugeführt
wurden. Der Rheinstromatlas von 1856 ist somit die ausführlichste historische
Quelle, welche die Nutzung der Rheinniederung in ihrem Zustand zu Beginn der
Oberrheinkorrektion überliefert – zu einem Zeitpunkt also, bei dem ein
Grundwasserstandsniveau in der Aue vorherrschte, das seither nicht wieder erreicht
wurde.
Weiterhin ist davon auszugehen, dass jede Fläche in einem Abwägungsprozess
zwischen a.) dem in die Aufbereitung einer Fläche zu investierendem Arbeits- bzw.
Kapitalaufwand, b.) dem je nach Nutzung zu erwartenden Ertrag bzw.
Flächennutzungsgewinn und c.) den Risiken, welche den Ertrag der jeweils
gewählten Flächennutzungsart wieder gefährden, der jeweils bestmöglichen
Nutzungsart zugeführt wurde. Der enorme Arbeitsaufwand, einen Wald zu roden, ihn
in eine Ackerfläche umzuwandeln und diese regelmäßig zu bestellen, wurde
sicherlich nur dort betrieben, wo die Ernte nicht in Gefahr stand, durch Hochwasser
oder Druckwasser vernichtet zu werden. Die Rheinstromatlanten entstanden nun in
einer Zeit, in der ein wachsender Bedarf an Lebensmitteln vorherrschte. Die
frühindustrielle Phase, in der sich Deutschland bzw. das Großherzogtum Baden
damals befand, war noch geprägt durch eine Bevölkerungszunahme, der eine
stagnierende bzw. nicht in gleichem Maße steigende Produktivität in der
Landwirtschaft gegenüberstand. Noch konnte die Produktivität pro Fläche nicht durch
chemischen Dünger gesteigert werden, so dass dem wachsenden Lebensmittelbedarf lediglich durch die Einführung neuer, effizienterer Anbaumethoden sowie
einer Ausweitung der landwirtschaftlichen Nutzfläche begegnet werden konnte. Die
im Zuge der Rheinbegradigung trockengelegten und vor direkten Überschwemmungen des Rheins mit Dämmen geschützten Flächen wurden folglich der
jeweils intensivsten, d.h. ertragsreichsten Nutzung zugeführt, welche die lokalen
Grundwasser- und Bodenverhältnisse zuließen. Da Flächen, die häufig durch
Druckwasser bedroht wurden, für Ackerbau oder Sonderkulturen nicht geeignet
waren, wurden sie extensiv (z.B. als Wald oder Grünland) bewirtschaftet. Wald und
Grünland, sowie völlig von der landwirtschaftlichen Nutzung ausgeschlossen Flächen
wie die vegetationsfreien Sand- und Kiesbänke des Rheins oder Sümpfe werden
deshalb in dieser Arbeit als Indikator für stark von der Hydrodynamik des Flusses
103
beeinflusste und deshalb für intensive Landnutzung unbrauchbare Flächen
betrachtet.
Das räumliche Muster der Flächennutzung, wie es sich im ersten Rheinstromatlas
darstellt, überliefert deshalb ein detailliertes Bild der in der Rheinniederung von
Druckwasseraustritten hauptsächlich betroffenen Flächen.
In den folgenden Jahrzehnten wurden mit sinkenden Grundwasserständen
trockengefallene extensiv genutzte Flächen zusehends intensiviert: Auwälder wurden
gerodet, Grünland in Äcker umgebrochen. JAKOBS beschreibt diesen Prozess für
das Untersuchungsgebiet in seiner Diplomarbeit detailliert in seinem Vergleich der
beiden Rheinstromatlanten von 1856 und 1875 (JACOBS 2002, S. 58f.).
Zu Frage II: Wie soeben erläutert, sind die Grundwasserverhältnisse heute nicht
mehr die gleichen wie Anfang des 19. Jh. zum Zeitpunkt der Erstellung der
Rheinstromatlanten. Für das Untersuchungsgebiet schwanken die Angaben über die
Tiefe der seit der Korrektion eingetretenen Sohlenerosion zwischen Werten von rund
80 bis 200 cm. Inwieweit ist dann die Druckwasserdynamik des 19. Jh. überhaupt
noch relevant für die rezente Druckwassergefährdung? Das Absinken des
Grundwasserspiegels dürfte vor allem einen Einfluss auf die Häufigkeit bzw. die
Andauer der Druckwasseraustritte haben. Das räumliche Muster der von
Druckwasser bedrohten Flächen wird durch die allgemeine Grundwasserabsenkung
hingegen kaum berührt worden sein. Da sich die für Druckwasseraustritte relevanten
Faktoren (Verteilung von wasserleitendem und –hemmenden Substrat sowie
Morphologie der Aue) durch natürliche Prozesse in den letzten 150 Jahren sicherlich
nicht geändert haben, ist davon auszugehen, dass es sich nach wie vor um die
gleichen Flächen handelt. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass diese
Flächen im 19. Jh. bereits bei einem geringen Wasseranstieg des Rheins
überschwemmt wurden, wohingegen heute Hochwasserereignisse mit mehrere
Meter über dem Mittelwasserstand liegenden Wasserständen vonnöten sind, bis die
ersten Wasseraustritte im Gelände beobachtbar sind.
Ein weiterer Unterschied zwischen der Druckwasserdynamik zu Anfang des 19. Jh.
und der heutigen Situation besteht darin, dass Hochwasserereignisse und die von
ihnen hervorgerufenen Druckwasseraustritte immer nur von relativ kurzer Dauer sind.
Im Gegensatz zu einem generell hohen Wasserstand bewirkt ein
Hochwasserereignis vor allem Druckwasseraustritte in den flussnahen Bereichen der
Aue. Nur wenn das Hochwasser über einen längeren Zeitraum hin anhält, erreicht die
sich im Untergrund ausbreitende „Druckwelle“ auch die entfernteren Flächen der
Rheinniederung. Dadurch werden bei rezenten Hochwasserereignissen die
flussnahen Druckwasserflächen wesentlich häufiger und länger aktiviert, als die
flussfernen. Zu Beginn des 19. Jh. hingegen waren auch große Flächen nahe der
Hochgestade stark druckwassergefährdet. Auch heute können Druckwasserflächen
potenziell noch in der gesamten Rheinniederung auftreten. Allerdings sind sie in
Hochgestadenähe nur noch bei lang anhaltenden, hohen Rheinwasserständen bzw.
infolge des Rückstaus von Seitengewässern zu erwarten.
Dort wo allerdings die natürliche Hydrodynamik der Rheinniederung infolge
anthropogener Eingriffe verändert wurde, ist die Flächennutzung des 19. Jh. bedingt
als Indikator für die rezente Druckwassergefährdung brauchbar. Dass beispielsweise
ein flächenhaftes Ausräumen der Aue durch den Kiesabbau das
Inundationsverhalten der umgebenden Druckwasserflächen veränderte, ist
naheliegend. Das Ausmaß und die genaue Art der Veränderung der
Druckwasserdynamik lässt sich allerdings kaum abschätzen. Ebenso wurden im
Untersuchungsgebiet oftmals einstige Druckwasserflächen durch Bebauung
104
versiegelt. Aufquellendes Wasser führt hier zu nassen Kellern oder gar Schäden im
Fundament. In Einzelfällen sind hier auch Druckwasseraustritte in benachbarten
Flächen verstärkt zu beobachten.
VI.3.2. Das räumliche Muster der Landnutzung im Jahre 1856
Bereits bei einer oberflächlichen Betrachtung der Rheinstromatlanten fällt die oftmals
geschwungene Form der in der Rheinniederung gelegenen Grünlandflächen auf. In
Abb. 116. sind die 1856 als Grünland genutzten Flächen des Untersuchungsgebietes
zusammen mit dem damaligen Rheinlauf dargestellt. Die Abbildung macht deutlich,
dass die Grünlandnutzung oftmals den Verlauf bereits vor Beginn der
Oberrheinkorrektur verlandeter Rheinarme nachzeichnet: Im Nordwesten sind am
Hochgestade bei Waldsee und Otterstadt deutlich zwei isolierte Bögen erkennbar. Im
Bereich des weit nach Osten ausgreifenden Hockenheimer Rheinbogens zeichnet
die Grünlandnutzung drei ineinandergreifende verlandete Mäanderbögen nach. Die
weit geschwungene Form und klare Abgrenzbarkeit gegenüber umgebendem
Ackerland deuten auf durch regressive und progressive Sprüngen entstandene bzw.
wieder abgeschnittene und bereits bis zur Neuzeit wieder verlandete Mäanderbögen
hin.
Etwas komplexere Strukturen zeichnet die Wiesennutzung am Hochgestaderand
zwischen Otterstadt und Speyer, innerhalb der Rheinhäuser Weide und auf der Insel
Flozgrün aus. Hier wird nicht der Verlauf des einstigen Hauptbettes nachgezeichnet,
sondern es lassen sich schmale, oftmals parallel zueinander versetzte längliche
Wiesenstreifen erkennen. Im Norden von Speyer handelt es sich teilweise um
verlandete Läufe des in die Rheinniederung einmündeten Speyerbaches. Im Süden,
auf der Rheinhauser Weide sowie auf der Insel Flozgrün fällt auf, dass die
Wiesenstreifen in etwa parallel zum Hauptbett des Rheins (vor seiner Begradigung)
liegen. Ähnliche Muster dürften sich auch auf der Kollerinsel, den Schwetzinger
Wiesen und dem ehemaligen Karl-Ludwig-See südlich von Ketsch finden lassen. Da
sie aber vollständig der Grünlandnutzung unterlagen, sind hier keine differenzierten
Strukturen auf dem Rheinstromatlas erkennbar.
Neben von Ackerflächen umschlossenen länglichen Grünlandstreifen sind auch von
Wald umschlossene Wiesen auf den Rheinstromatlanten zu erkennen. In beiden
Fällen dürfte es sich bei den Wiesenstreifen um diejenigen Flächen mit der höchsten
Bodenfeuchte – den häufigsten Druckwasseraustritten - handeln.
VI.3.3. Quantitativer Vergleich zwischen den im Jahre 1856 extensiv
bewirtschafteten Flächen und den während des Pfingsthochwassers 1999
kartierten Inundationsflächen
Ob die extensive Landnutzung im Jahre 1856 nun tatsächlich ein Indikator für
rezente Inundationsflächen ist, konnte anhand der Kartierungen des
Pfingsthochwassers 1999 überprüft werden. Hierzu wurden die Informationsebenen
„Landnutzung 1856“ und „Inundationen 1999“ im GIS analysiert und die relevanten
Informationsebenen miteinander verschnitten. Dadurch konnten die Flächeninhalte
der verschiedenen Informationsebenen miteinander verglichen und etwaige
Korrelationen quantitativ bestimmt werden:
Die Gesamtfläche aller im Untersuchungsgebiet im Jahre 1856 extensiv genutzten
Flächen (d.h. Wald, Heide, Grünland mit und ohne Bäumen, feuchte Wiesen), aller
direkt zum Gerinnebett des Rheins gehörenden (d.h. Rheinlauf samt Sand- und
Kiesbänken), sowie aller sonstigen durchfeuchteten Flächen (Sumpf,
105
Torfabbauflächen, Tümpel) betrug im Untersuchungsgebiet 6371 ha. Von den 4523
ha Überschwemmungsflächen, die während des Pfingsthochwassers 1999 kartiert
wurden, lagen 3822 ha (84,5%) innerhalb der oben genannten, im Jahre 1856
extensiv bewirtschafteten bzw. durchfeuchteten Standorte; lediglich 701 ha (15,5%)
lagen auf 1856 anderwertig genutzten Flächen (fast ausschlieslich Ackerflächen).
Diese Werte sprechen deutlich für eine Korrelation zwischen extensiver, historischer
Landnutzung und rezenter Inundation (siehe als Beispiel Abb. 117.).
Diese Betrachtung bezieht sich allerdings auf die Gesamtheit aller 1999
aufgetretenen Inundationsflächen, direkten Überschwemmungsflächen und Druckwasserflächen zusammengenommen.
Fokussieren wir deshalb nun die (außendeichs gelegenen) Druckwasser- und
Sickerwassersammelflächen, also die durch den Rheinhauptdamm von der rezenten
Aue abgetrennten Inundationsflächen:
Insgesamt waren außendeichs rund 757 ha überschwemmt. Obwohl dies lediglich
16,7% der 1999 kartierten Inundationen sind, handelt es sich hierbei um die für die
Raumplanung wichtigsten Flächen: In diesen, vermeintlich durch den
Rheinhauptdamm geschützten und oftmals intensiv genutzten Flächen entstanden
1999 zahlreiche „Onsideschäden“ (z.B. Hochwasserschäden in Campingplätzen,
Industrie- und Wohngebieten). Von den Überschwemmungen lagen 61,2% innerhalb
(38,8% außerhalb) der 1856 extensiv bewirtschafteten Flächen. Zum einen belegen
die Prozentangaben, dass rezente Druckwasserflächen tatsächlich in erster Linie in
den bereits im 19. Jh. von Druckwasser betroffenen Flächen entstehen. Zum
anderen belegt das Verhältnis von 61,2% zu 38,8% aber nur eine relativ geringe
Korrelation. Zwei weitere Faktoren sind hierbei jedoch zu berücksichtigen:
a.) Zum einen ist zu bedenken, dass dort, wo die ehemals extensiv genutzten
Flächen mittlerweile mit Siedlungen und Straßen überbaut oder durch
Kiesgewinnung abgetragen wurden, heute auch keine Inundationsflächen mehr
kartiert werden können. Immerhin sind im Untersuchungsgebiet 27,5% der 1856
extensiv genutzten Flächen mittlerweile überbaut oder abgetragen worden.
Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang auch, dass die intensivsten
anthropogen Eingriffe und Umgestaltungen in den 1856 von Druckwasser am
meisten betroffenen Flächen vorgenommen wurden: 71,4% der Flächen, die von
derartigen Umgestaltungen betroffen sind, liegen in den 1856 extensiv
bewirtschafteten Flächen. Dieser Umstand hat seine Ursache hauptsächlich im
Kiesabbau, der vor allem in den Auebereichen erfolgte, in denen auch
Druckwasserflächen vermehrt auftraten. Doch sogar die Errichtung von
Neubaugebieten, Gewerbeflächen, Mülldeponien oder Fernverkehrsstrassen
erfolgte im Untersuchungsgebiet (erstaunlicherweise) zu einem großen Teil (zu
39,8%) auf 1856 noch durchfeuchteten Standorten. Es wäre ein Trugschluss zu
glauben, dass die oberflächliche Versiegelung dieser Flächen durch Bebauung
ein Ende der Druckwasserprozesse im Untergrund zur Folge hätte. Wie das
weiter unten noch ausführlich diskutierte Beispiel der Rheinhäuser Weide zeigt,
trat 1999 selbst in den überbauten Bereichen noch Druckwasser oberflächlich
aus. Ferner sind oftmals vermehrt am Rande der bebauten Areale
Wasseraustritte (dann auch auf Flächen, die 1856 als Äcker genutzt wurden)
festzustellen, so dass die Vermutung nahe liegt, dass eine Versiegelung
ehemaliger Druckwasserflächen lediglich zu einer Verlagerung der Austrittsstelle,
nicht aber zur Unterbrechung des Druckwasserflusses führt. Wie häufig in heute
bebauten, ehemaligen Druckwassergebieten Probleme wie Kellerdurchfeuchtung
oder Gebäudeschäden durch Feinsubstratausspülung auftreten, konnte im
Rahmen dieser Arbeit im Untersuchungsgebiet nicht systematisch erfasst werden.
106
Es sind aber durch die Geländebegehungen und Gespräche mit Anwohnern in
den entsprechenden Wohngebieten zahlreiche Einzelfälle bekannt, in denen
eindeutig bestätigt wurde, dass bei Hochwasserereignissen Druckwasser austritt.
In einigen Fällen sind deswegen auch Gerichtsverfahren anhängig.
b.) Ferner ist bei zu unterscheiden zwischen Sickerwassersammelflächen und
Druckwasserflächen. Im Gelände war es 1999 nicht immer einfach zu
unterscheiden, ob Wasser einer dammnahen Inundationsfläche nur aus dem
Dammfuß austrat und sich durch oberflächlichen Abfluss in den Senken
sammelte oder ob es sich um eine „echte“ Druckwasserfläche handelt. Die
Entstehung von Sickerwassersammelflächen hängt in erster Linie von der
Durchlässigkeit des Rheinhauptdammes bzw. dem oberflächennah infiltrierten
Flusswasserstrom ab und betrifft alle dammnahen Flächen gleichermaßen –
unabhängig, ob es sich dabei nun um 1856 intensiv oder extensiv genutzte
Flächen handelt. Über eine einfache Faustregel lassen sich Sickerwasserflächen
über ihre räumliche Nähe zum Damm von den „echten“ Druckwasserflächen
abgrenzen: Je weiter eine Inundationsfläche vom Rheinhauptdamm entfernt ist,
desto eher handelt es sich um eine „echte“ Druckwasserfläche. Betrachtet man
nun deshalb nur die Flächen, die sich in einer gewissen Entfernung vom Damm
befinden, lässt sich eine eindeutige Korrelation zwischen rezenten
Druckwasserflächen und der extensiven Landnutzung von 1856 feststellen: Bei
den mehr als 600m vom Rheinhauptdamm entfernten Inundationsflächen mit
einem Gesamtflächeninhalt von 250 ha. (das sind immerhin noch rund 1/3 der
Außendeichs gelegenen Inundationsflächen) lagen 89,3% innerhalb der 1856
intensiv genutzten Flächen.
VI.3.4. Kritische Diskussion der Ergebnisse anhand von Beispielen
Grundsätzlich sind verschiedene Vorgehensweisen für einen GIS gestützten
Vergleich historischer und rezenter Inundationsflächendaten denkbar. Betrachtet
man beispielsweise lediglich diejenigen rezenten Inundationen, die 1999 vollständig
innerhalb von 1856 als Grünland oder Acker genutzten Fläche lagen, so scheint nur
eine geringe Korrelation zwischen rezenter und historischer Hydrodynamik zu
bestehen: Von den außerhalb der rezenten Aue gelegenen 1999er
Inundationsflächen decken sich lediglich 13,5% vollständig mit historischen
Grünlandflächen und 9,34% vollständig mit historischen Ackerflächen (JAKOBS 2002
86.ff).
Bei einem derartigen Vorgehen ist aber zu beachten, dass die Flächeninhalte
derjenigen Inundationsflächen, die 1999 z.B. so stark geflutet wurden, dass sie in
Areale mit anderer historischer Flächennutzung „hinüberüberschwappten“ (also
sowohl in historischem Grünland, als auch in historischem Ackerland lagen) nicht
berücksichtigt werden; - deshalb macht der Anteil der „sonstigen“ Flächen bei diesem
Verfahren auch 77% aus.
Ferner ist bei einer Auswertung zwischen „echten“ Druckwasserflächen und
Sickerwassersammelflächen zu unterscheiden.
Auch sind nicht alle Bereiche des Untersuchungsgebietes gleichermaßen für
derartige Untersuchungen geeignet. Die Gründe hierfür sollen im Folgenden anhand
einiger Beispiele erläutert werden.
VI.3.4.1. Insel Flozgrün
Während des Pfingsthochwassers 1999 diente die Insel Flozgrün nach Aussagen
von Herrn König (Speyer) bereits als „Polderfläche“. Die Insel wurde durch eine
107
künstlichen Dammöffnung gezielt geflutet (siehe Abb. 128.). Die Inundationen des
Pfingsthochwassers von 1999 resultierten deshalb eindeutig von oberflächlich
einströmendem Flusswasser und sind folglich für einen Vergleich zur Ermittlung der
Korrelation zwischen rezenten Überschwemmungen und historischer Landnutzung
nicht geeignet. Zudem ist davon auszugehen, das bei Wasserständen, wie sie 1999
auftraten, die Inundationen auf der Insel Flozgrün vor allem durch sich in den Senken
sammelndes Uferfiltrat und weniger durch Druckwasser hervorgerufen wird.
VI.3.4.2. Rheinhäuser Weide/ Speyerer Rheinbogen
Ebenso ist die Rheinhäuser Weide für den Vergleich von historischen und rezenten
hydrologischen Daten kein sonderlich gut geeignetes Areal, da sich hier
Hydrodynamik und Morphologie aufgrund der seit etwa den 60er Jahren des 20. Jh.
anhaltenden Errichtung von Industrie- und Gewerbebetrieben geradezu dramatisch
verändert haben. Die auf dem Rheinstromatlas von 1856 verzeichneten
Grünlandstreifen sind heute zum Großteil überbaut (siehe Abb. 118.). Dort wo sie
allerdings nicht überformt wurden, weisen die ehemals extensiv genutzten Flächen
noch immer intensive Druckwassertätigkeiten auf (z.B. Goldgrube und Lausgrube;
siehe Abb. 119.). Allerdings traten rings um die Industrieanlagen während des
Pfingsthochwassers 1999 auch auf den anderen, 1856 nicht als Grünland, sondern
zumeist als Acker genutzten Flächen intensive Überschwemmungen auf. Bei den
nahe am Damm gelegenen ehemaligen Ackerflächen handelt es sich aber wiederum
größtenteils um Sickerwassersammelflächen.
VI.3.4.3. Hockenheimer Rheinbogen
Für den Hockenheimer Rheinbogen ist dagegen eine räumliche Überlagerung von
rezenten Druckwasserflächen und historischer Landnutzung eindeutig und
zweifelsfrei nachweisbar. Die Druckwasserflächen liegen oftmals vollständig im
Bereich von Grünlandflächen und ihre Begrenzungen lehnen sich häufig an die
Grenzen zwischen Grünland und Ackerland an (siehe Abb. 117.). Auch JAKOBS
kommt für dieses Gebiet zu dem Ergebnis, dass die räumliche Verteilung von
historischem Grünland und Ackerland zur Ausweisung von Flächen mit erhöhter bzw.
verminderter Druckwassergefahr geeignet ist.
Die Korrelation tritt hier deutlicher hervor, weil beim Hockenheimer Rheinbogen die
störenden Einflüsse sehr gering sind: Dieser Auenbereich ist fast völlig frei von
Kiestagebau oder Bautätigkeiten. Ferner greift der Rheinbogen so weit nach Osten,
dass ein großer Teil der Altaue so weit vom Rheinhauptdamm entfernt ist, dass die
meisten der 1999 beobachteten Inundationen zweifelsfrei als „echte“ Druckwasserflächen anzusprechen sind.
VI.3.4.4. Schmale Behl
Im Jahre 1856 wurde der verlandete Otterstädter Rheinbogen am Hochgestaderand
zwischen Waldsee und Otterstadt als Grünland genutzt (siehe Abb. 120.). Ein Teil
dieser Flächen, die „Schmal Behl“ wurde erstaunlicherweise Ende der 1970er und
Anfang der 1980er Jahre als Bauland ausgewiesen und mit Wohnhäusern bebaut.
Dies ist insofern erstaunlich, als auf dem Luftbild von 1983 Druckwasseraustritte auf
später bebauten Flächen zu erkennen sind. An diesem Beispiel wird die Problematik
der Ausweisung von Baugebieten in der Rheinniederung besonders deutlich.
Flächen, auf denen 1983 noch Druckwasser austrat, wurden wenige Jahre später
überbaut. Beim Hochwasserereignis von 1999 sind aufgrund der Bebauung keine
oberflächlichen Druckwasseraustritte mehr erkennbar, aber es traten – wie
108
Gespräche mit den Anwohnern ergaben - an mehreren Häuser in der „Schmal Behl“
Schäden durch Druckwasser auf.
VI.3.4.5. Angelwald und Binsfeld
Die Abb. 121. zeigt den Angelwald und das Binsfeld im Jahre 1856. Der Durchstich
am Angelhof ist bereits aktiviert, der Hauptstrom des Rheins ist aber noch im alten
Bett verblieben. Der Angelwald ist zu einer Insel geworden. Die verlandeten Gießen
der Oberen und der Unteren Angelwörth sind noch in der Karte zu erkennen, wobei
letztere durch den neuen Kanal zerschnitten wird. Westlich vom Angelhof, am
jenseitigen Rheinufer, befinden sich ausgedehnte Grünlandflächen. Bereits die
Gemarkungsnamen zeigen an, das es sich um feuchte, minderwertige
Nutzungsflächen handelt („Im Wühl“, „Fuchswühl“, „Elend Herberg Wühl“, „Kirchen
Grün“). Nördlich vom Angelwald, am gegenüberliegenden Rheinufer, erstreckt sich
eine weitere große, extensiv genutzte Fläche: das Refenthal. Westlich vom Refenthal
liegt das Binsfeld, der Bogen eines länst verlandeten Rheinmäanders. Der einstige
Verlauf des Hauptbettes wird deutlich von einem sichelförmigen Grünlandstreifen
nachgezeichnet. Diese Weiden sowie die auf den trockeneren Standorten im Inneren
des einstigen Mäander befindlichen Ackerflächen wurden vom Binshof aus
bewirtschaftet. Östlich des Binshofes zum Rhein hin lag der Binswald, dessen Böden
offensichtlich keine intensivere landwirschaftliche Nutzung zuließen.
Betrachtet man nun den gleichen Landschaftsausschnitt im Luftbildmosaik in Abb.
122., so werden anthopogene Eingriffe in den Landschaftshaushalt seit dem 19. Jh.
deutlich: Große Flächen wurden entkiest und in tiefe Baggerseen verwandelt.
Anstelle des Binswaldes befinden sich Seen. Lediglich die einstigen Waldwege
existieren als längliche Dämme im See weiter fort. Um den Binshof herum, entlang
der Baggerseen wurden dicht gedrängt Freizeit- und Wohnhäuser errichtet. Auch das
„Elend Herberg Wühl“ und „Fuchswhyl“ fielen größtenteils der Kiesgewinnung zum
Opfer. Der Rhein fließt heute in seinem geplanten Bett. Der Angelhofer Altrhein
wurde aber, nachdem er bis Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts fast vollständig
verlandet war, ebenfalls entkiest und in einen Baggersee mit Rheinanschluss
umgeformt. Refenthal sowie Obere und Untere Angelwörth wurden dabei ebenfalls
zu großen Teilen abgebaggert. Ebenso existiert an Stelle des einstigen Angelhofes
heute ein Baggersee.
Es liegt auf der Hand, das bei derartig gravierenden Veränderungen anhand dieser
Flächen keine Korrelation zwischen einstiger Landnutzung und rezenter
Druckwasserdynamik untersucht werden kann. Dennoch zeigt Abb. 123., das auf den
nicht überformten, im 19. Jh. extensiv genutzten Flächen 1999 verstärkt
Druckwasseraustritte erfolgten: Im Binsfelder Mäanderboden und in den Restflächen
von „Elend Herberg Wühl“ und „Fuchswhyl“ trat 1999 Druckwasser aus.
VI.3.4.6. Speyer Nord
Ein anderes Beispiel für einen seit dem 19. Jahrhundert stark überformten
Auebereich ist der Norden Speyers. Im Jahre 1856 wurde die durch den
Rheinhauptdamm vor direkten Überschwemmungen geschützte Aue überwiegend
als Weide- und Grünland genutzt (siehe Abb. 124.; „Alte Speyerer Weide“,
„Schlangen Wyhl“, „Nonnenwyhl“, „Hasenpfuhler Weide“, „Schelmen Giefs“). Die auf
der gegenüberliegenden Rheinseite liegende Oder war damals noch nicht verlandet.
Das zwischen ihr und dem Rhein gelegene „Speierer Grün“ war vollständig
bewaldet.). Auf den ehemaligen Weideflächen im Norden Speyers sind ausgedehnte
Gewerbe- und Wohngebiete entstanden. Im Nonnenwhyl wurde eine Mülldeponie
109
errichtet. Der Wald im Speierer Grün wurde gerodet und in Ackerflächen
umgewandelt.
Aus den Luftbildern in Abb. 125. geht hervor, dass ein Großteil der 1856 extensiv
genutzten Flächen heute bebaut oder anderen höherwertigeren Nutzungen zugeführt
wurden: Auf den ehemaligen Weideflächen im Norden Speyers sind ausgedehnte
Gewerbe- und Wohngebiete entstanden. Im „Nonnenwhyl“ wurde eine Mülldeponie
errichtet. Der Wald im Speierer Grün wurde gerodet und in Ackerflächen
umgewandelt.
Ob diese Nutzung der Inundationsdynamik angemessen ist, erscheint mehr als
fraglich. Aus Abb. 126. geht hervor, dass Druckwasseraustritte während des
Pfingsthochwassers 1999 verstärkt in den im 19.Jh noch extensiv genutzten Flächen
erfolgten. Dort, wo diese Flächen bereits versiegelt wurden, können im Luftbild keine
Inundationen mehr nachgewiesen werden – was aber nicht heißt, das es auf diesen
Flächen keine Probleme mit Druckwasseraustritten gäbe. Das Schrägluftbild in Abb.
127. zeigt die ehemalige „Hasenpfuhler Weide“ im Norden von Speyer im Februar
1999. Neben den erst vor wenigen Jahren errichteten Gewerbeflächen (z.B. links im
Bild Großlager der Firma „Lidl“) sind deutlich großflächige Druckwasseraustritte zu
sehen. Die Bebauung dieses Auebereichs in direkter Nähe zum Rheinhauptdamm
erfolgte in den letzten Jahren und hält noch immer an.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für das Untersuchungsgebiet eindeutig
eine starke Korrelation zwischen der extensiven landwirtschaftlichen Nutzung im 19.
Jahrhundert und dem rezenten Austritt von Druckwasser bei großen
Hochwasserereignissen nachgewiesen werden konnte. Die Korrelation ist
selbstverständlich nur dann gegeben, wenn die entsprechende Fläche seit dem 19.
Jahrhundert nicht massiv überformt bzw. im Zuge der Kiesgewinnug vollständig
abgetragen wurde. In direkter Nähe zum Rheinhauptdamm treten allerdings bei
großen Hochwasserereignissen erfahrungsgemäß zahlreiche Sickerwassersammelflächen. Dieser Effekt überlagert die Druckwasseraustritte. Inundationen
entstehen hier praktisch in jeder Senke und nicht nur in den im 19. Jh. extensiv
genutzten Flächen aus. Mit zunehmender Entfernung zum Rhein tritt der
Zusammenhang zwischen historischer Landnutzung und rezenten Druckwasseraustritten aber immer deutlicher zu Tage.
Die Methode der Auswertung historischer Karten hat sich im Untersuchungsgebiet
als sehr hilfreich für die Abschätzung des Inundationsrisikos einzelner Flächen
erwiesen.
110
VII. GIS-basiertes Modell zur Prognose der räumlichen
Ausbreitung von Hochwasserereignissen
Ausschnitt aus einer Ergebniskarte des Inundationsflächenmodells
111
Die Entwicklung eines einfachen, räumlich hoch aufgelösten Modells zur Prognose
der bei einem definierten Wasserstand überschwemmten
Flächen
ist das
eigentliche Ziel dieses Promotionsprojektes. Die Ergebnisse der empirischen
Inundationsflächenkartierungen im Untersuchungsgelände haben gezeigt, dass
direkte Überschwemmungsflächen tatsächlich in einfach beschreibbarer Korrelation
zum Flusswasserstand stehen. Eine Berechnung dieser Inundationsflächen ist
deshalb bereits auf der Grundlage von digitalen Geländehöhenmodellen und
Strömungsmodellen vergleichsweise problemlos zu bewerkstelligen.
Die
empirischen Geländearbeiten haben aber auch gezeigt, dass es sich bei den
tatsächlich in der Rheinniederung auftretenden Inundationsflächen oftmals eben
nicht um direkte Überschwemmungsflächen sondern um Druckwasser- oder
Sickerwassersammelflächen handelt. Die bisherigen Ausführungen unterstrichen,
dass es sich bei den ökologisch interessanten, regelmäßig in der rezenten Aue
auftretenden Inundationen (W bis 225 cm ü. MW) in der Mehrzahl um
Druckwasserflächen
handelt.
Bei
„Jahrhundert“-Ereignissen
wie
dem
Pfingsthochwasser 1999 waren zwar Anzahl und Ausmaß der Druckwasserflächen
im Vergleich zu den enormen direkten Inundationsflächen vergleichsweise gering. Da
die Druckwasserflächen aber in vermeintlich vom Rheinhauptdamm geschützten,
intensiv z.B. als Gewerbegebiet genutzten Flächen auftraten, ist das Wissen um ihre
Verbreitung von besonderem Interesse. Letztlich ist ein Inundationsflächenmodell nur
dann brauchbar, wenn es in der Lage ist, die räumliche Inundationsdynamik auch
dieser Flächen zu beschreiben. Für viele Aufgaben der Raumplanung, der
biologischen Stechmückenbekämpfung oder der Auenrenaturierung ist es in erster
Linie die Prognose der Druckwasserflächen und nicht so sehr die der direkten
Inundationsflächen, welche die Tauglichkeit eines Inundationsflächenmodells ausmachen.
Weiter haben die Bodensondierungen und Wasserstandsmessungen in
verschiedenen Druckwasserflächen gezeigt, dass eine Berechnung der
Druckwasserflächen mittels eines deduktiven Modells kaum möglich ist:
Ein deduktiver Ansatz, welcher z.B. versucht, die strömungsdynamischen Prozesse
während eines Hochwasserereignisses als Zusammenspiel von mehreren, sich
wechselseitig beeinflussenden Faktoren - wie die Menge des in das System
strömenden Wassers, Form und Gefälle des überströmten Geländes, die räumliche
Verteilung von Fließwiderständen (z.B. durch Auwald oder Gebüschreihen) oder den
Grundwasserstand zu Beginn des Hochwasserereignisses - zu berechnen, ist nur
dann sinnvoll, wenn eben diese beeinflussenden Faktoren auch hinreichend genau
quantifizierbar sind. Die wichtigsten Faktoren sind aber bisher nicht quantifiziert.
Bisher liegen beispielsweise weder hinreichend genaue Kartierungen des Holozäns
oder ein räumlich hochaufgelöstes Grundwassermessnetz für die Rheinniederung
vor.
Eine Vereinfachung der Einflussfaktoren, z.B. durch die Annahme eines homogenen
Sedimentkörpers mit einheitlichen Transmissionskoeffizienten oder das völlige Außer
Acht lassen von Wasserströmen im Untergrund (die Flussaue als Badewanne, die
nur durch oberflächliches Einströmen von Wasser gefüllt wird) mögen zulässig sein,
wenn es darum geht, sich in kleinmaßstäbigen Betrachtungen einen groben
Überblick über das Gefahrenpotential von Inundationen zu verschaffen. Für räumlich
hoch aufgelöste Betrachtungen, wie sie im Rahmen dieser Promotionsarbeit
112
vorgenommen werden, sind sie schlichtweg unzulässig und führen zu nicht mehr
tolerierbaren Fehlern.
Somit bleibt für einen deduktiven Ansatz nur die Möglichkeit, die fehlenden Daten
unter erheblichem Aufwand selbst zu erheben. Als Beispiel für ein hochaufgelöstes
Grundwassermodell in einer Flussaue sei auf die Arbeit von MONTENEGRO et al
hingewiesen (T. HOLFELDER, H. MONTENEGRO, B. WARWRA, 1999). Im Rahmen
von Untersuchungen zu einer geplanten Deichrückverlegung an der Elbe wurde bei
Wittenberge ein Grundwassermodell mit dem Ziel, die Druckwasserentwicklung nach
der Deichrückverlegung zu prognostizieren, erstellt. Aufgrund einer Förderung durch
das BfG Koblenz standen Mittel für die Errichtung eines feinmaschigen Netzes von
Bodenbohrungen und Pumpversuchen zur Verfügung. Doch selbst dieses
aufwendige Modell war nicht in der Lage, eine genaue Prognose der räumlichen und
zeitlichen Dynamik der Druckwasserflächen zu liefern. Eine Vorhersage, wann und
wo Druckwasserflächen entstehen und wieder versickern, können rein deduktive
Modelle höchstens für sehr kleine Untersuchungsgebiete leisten.
In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb ein induktiver Modellschwerpunkt gewählt.
Der induktive Ansatz basiert auf dem simplen Gedanken, dass die
Überschwemmungen, die ein bestimmter Abfluss des Rheins in der Vergangenheit
erzeugte, auch in Zukunft wieder eintreten werden, wenn der Fluss unter ähnlichen
Rahmenbedingungen erneut ähnliche Abflüsse erreicht. Das Untersuchungsgebiet
wird als „Black Box“ betrachtet, als eine räumliche Einheit, in die ein Inputwert (z.B.
das Rheinwasser) eingegeben wird und die Prozesse, die sich im Inneren des
Systems abspielen, zunächst außer Acht gelassen werden. Entscheidend ist nur,
dass der Input (z.B. Rheinabfluss, Grundwasserstand im Gelände bei Beginn der
Hochwasserwelle) und der gemessene Output (die entstandenen Inundationsflächen) hinreichend genau quantifiziert und in Korrelation zueinander gebracht
werden können.
Im folgenden Abschnitt werden die Ziele und die Vorgehensweise bei der
Modellerstellung näher vorgestellt.
VII.1. Aufgaben und Ziele des Inundationsflächenmodells
Die eingangs formulierten Ziele seien hier nochmals kurz wiederholt und präzisiert.
Das im Rahmen dieser Arbeit erstellte Inundationsflächenmodell hatte im
wesentlichen drei Aufgaben zu erfüllen:
1. Identifizierung von Hochwassereinwirkung potenziell betroffenen Flächen für
Belange der Raumplanung:
Unabhängig von der aktuellen Wasserstandsentwicklung des Rheins ist eine
vorausschauende Raumplanung auf Informationen zur grundsätzlichen Hochwassergefährdung einer Fläche angewiesen. Gerade als im Untersuchungsgebiet während
des Pfingsthochwassers 1999 Wasseraustritte inmitten von Gewerbe- und
Wohngebieten und in Bauerwartungsland festzustellen waren, zeigte sich, dass die
Gefahr durch Druckwasser in der Vergangenheit nicht realistisch eingeschätzt wurde.
2. Prognose der bei einem definierten Wasserstand in der rezenten Aue entstehenden Inundationen:
Das Modell soll in der Lage sein, das Ausmaß der Inundationen für definierte
Wasserstände am Pegel Speyer in Kartenform auszugeben. Diese Inundationsflächenkarten sollen über eine Wasserstandsgenauigkeit von 50cm (d.h.
113
Inundationsflächenkarten für z.B. 450 cm, 500cm, 550cm,... am Pegel Speyer) und
eine räumlich Auflösung von 1m bis 2m verfügen. Diese Inundationsflächenprognosen sollen für Aufgaben wie z.B. die biologische Stechmückenbekämpfung oder ökologische Untersuchungen in der rezenten Aue nutzbar sein.
3. Prognose von Inundationsflächen in den vom Rheinhauptdamm geschützten
Bereichen der Rheinniederung in Abhängigkeit vom Flusswasserstand:
In den vom Rheinhauptdamm geschützten Bereichen ist die Prognose der
Inundationsflächen besonders schwierig, aber aufgrund der intensiven Nutzung
dieser Bereiche auch besonders wichtig. Das Modell soll in der Lage sein, die
Druckwasserflächen und Sickerwassersammelflächen, die bei definierten
Wasserständen entstehen, zu prognostizieren. Auch hier wird eine
Wasserstandsgenauigkeit von 50 cm und eine räumliche Auflösung von 1m bis 2m
angestrebt. Sowohl für die Stechmückenbekämpfung, als auch zum Schutz der
Anwohner und Nutzer dieser Flächen soll eine solche Prognose nutzbar sein.
Die einzelnen Arbeitsschritte bei der Erstellung des Inundationsflächenmodells
waren:
VII.2. Sammlung und GIS-Implementierung aller
empirischen Inundationsflächendaten
Die verfügbaren empirischen Inundationsflächenkartierungen aus Geländearbeit und
Luftbildauswertung wurden in ArcView implementiert und in 50 cm-Schritten nach
den jeweils während des kartierten Hochwassers am Pegel Speyer angezeigten
Wasserständen sortiert. Die Karten in Abb. 129. und Abb. 130. zeigen verschiedene
Möglichkeiten, die Inundationsflächendaten in ArcView zu visualisieren. In Abb. 129.
sind diejenigen Inundationen rot dargestellt, die bei einem Wasserstand von 150cm
ü. MW. im dargestellten Ausschnitt des Untersuchungsgebiet bisher kartiert wurden.
In Abb. 130. sind für den gleichen Untersuchungsausschnitt empirisch gewonnenen
Inundationsflächendaten in verschiedenen Farben nach Wasserständen geordnet
dargestellt. Eine solche Zusammenstellung von wasserstandsabhängigen Inundationsflächendaten ist für zahlreiche Anwendungsbereiche bereits vollkommen
ausreichend.
Interpolation von unbekannten (nicht kartierten) Inundationssituationen
Die Inundationsflächen von nicht im Gelände beobachteten Wasserständen können
nun relativ einfach über verschiedene mathematische Interpolationsverfahren in guter
Annäherung an die wirkliche Situation berechnet werden. Über Inundationen von
Wasserständen, die über dem Niveau des höchsten beobachteten Wasserstandes
liegen, können allerdings keine sinnvollen Aussagen gemacht werden. Diese lassen
sich nur mittels eines deduktiven Modells ermitteln:
VII.3. Erstellung eines digitale Geländehöhenmodells
Für eine ausführliche Dokumentation der Erstellung des digitalen Geländehöhenmodells (DGHM) sei auf HILPISCH 2001verwiesen. Es sollen hier deshalb nur
die wesentlichen Probleme und Arbeitsschritte der DGHM-Erstellung besprochen
werden:
Digitale Geländemodelle, welche für hydrogeographische Fragestellungen eingesetzt
werden, müssen über eine außerordentliche Höhengenauigkeit verfügen. Während
114
bei großmaßstäbigen Betrachtungen Höhenfehler von etwa 1m nur eine geringe
Bedeutung haben, ist im Auebereich eine Genauigkeit von besser als 50cm
anzustreben (Vgl. NICKEL 1996, S.130). Als mögliche Quellen für Höhendaten
kamen
Digitale
Lasercanbefliegungsdaten,
Digitale
Höhenmodelle
der
Landesvermessungsämter, Höhenflurkarten und die DGK5 in Frage. Noch vor der
Vergabe der Diplomarbeit war nach Gesprächen mit Herrn König, dem Amtsleiter der
Wasserbaugruppe Speyer, eine Bereitstellung von im Rahmen der Polderplanungen
der Kollerinsel erstellten Laserscandaten mündlich zugesagt worden. Leider konnten
uns die Daten nach sich über mehreren Monaten hinziehenden Gesprächen
schließlich doch nicht zur Verfügung gestellt werden. Nach den Aussagen von Herrn
König hätte man allerdings auf die teuren und aufwendigen Laserscanbefliegungen
auch verzichten können: Aus Plausibilitätsgründen war vom mit der Auswertung der
Laserscandaten beauftragten Planungsbüro ein Datenvergleich mit der DGK 5
vorgenommen worden, um Fehlmessungen durch Bäume oder andere über dem
eigentlichen Grund befindlichen Objekte abschätzen zu können. Man kam zu dem
Ergebnis, dass eine Nutzung der Höhenwerte der DGK keine schlechteren
Ergebnisse geliefert hätte und entschloss sich, keine weiteren Lasercanbefliegungen
im Zuständigkeitsbereich der Wasserbaugruppe mehr in Auftrag zu geben. Nach
ausführlicher Prüfung von Preis, Qualität und Verfügbarkeit der verschiedenen
Datenquellen und nicht zuletzt aufgrund der positiven Beurteilung der Grundkarten
im Untersuchungsgebiet durch die Wasserbaugruppe Speyer fiel die Entscheidung
zugunsten einer Nutzung der DGK5 Daten als Grundlage für das DGHM 36.
Der Isohypsenabstand liegt in der DGK5 bei 0,5 Meter, wird aber im flachen Gelände
mancherorts noch durch eine 0,25 Meter Isohypse ergänzt. Der mittlere Höhenfehler
bewegt sich im flachen Gelände zwischen ± 0,3 Meter (HILPISCH 2001, S. 28). Bei
wachsender Geländeneigung a ergibt sich nach der Koppeschen Formel ein
Höhenfehler von mh = ± (0,4 + 3 tan a) (vgl. FÖCKELER & KUHN 1999, S. 23). Mit dieser
Höhengenauigkeit sind auch kleinere Mulden und Gräben von nur wenigen
Quadratmetern Fläche im Geländemodell noch darstellbar, die für die Identifizierung
mikroskaliger Druckwasserflächen und ihrer Bedeutung für die Stechmückenbekämpfung am Oberrhein von Nutzen sein können. Ein Problem stellte die
geringe Aktualität der Grundkarte dar. Zahlreiche Blätter waren zum letzten Mal 1974
berichtigt und ergänzt worden. Durch einen Vergleich mit Luftbildmaterial von 1999
konnten aber die schwerwiegendsten Veränderungen – vor allem die großen
Flächenabtragungen durch die Kiesgewinnung in der Aue - korrigiert werden. Das
Geländemodell wurde als Triangulated Network (TIN) realisiert. Ein digitales
Geländehöhenmodell für das gesamte Untersuchungsgebiet zu erstellen, war eine
Aufgabe, die ein Diplomand alleine nicht bewältigen konnte. Das von HILPISCH
angefertigte Geländehöhenmodell konzentrierte sich deshalb auf den von seiner
Inundationsdynamik her interessanteren nördlichen Abschnitt des Untersuchungsgebietes (siehe Abb. 131.). Zwei Formen der Visualisierung des Modells im
ArcView Analyst sind in Abb. 132. und Abb. 133. dargestellt.
VI.4. Simulation von Inundationen auf DGHM-Grundlage im GIS
Auf der Grundlage des DGHM wurde nun – unter stark vereinfachenden Annahmen
– das Ausmaß von Überschwemmungen in der Rheinniederung simuliert Es wurden
diejenigen Flächen berechnet, welche aufgrund ihrer relativen Höhenlage zum Rhein
36
Eine ausführliche Diskussion zur Wahl der Höhendaten und der Problematik des
Austauschs digitaler Geodaten findet sich bei HILPISCH 2001 (Kapitel 4)
115
bei einem bestimmten Wasserstand als potentielle Inundationsflächen in Frage
kommen. Für die verschiedenen definierten Wasserstände wurde ein „worst case“
Szenario, das größte überhaupt denkbare Ausmaß der Inundationen berechnet: Der
3-D Analyst von ArcView ermöglicht Volumen- und Flächenberechnungen zwischen
zwei Oberflächen („Cut-Fill“Analyse). Parallel zum Gefälle des Mittelwasserstandes
des Rheins wurden in 25 cm Schritten fiktive Wasserstandebenen erstellt und mit
dem Geländemodell verschnitten. Als Ergebnis dieser Verschneidungen wurden
sowohl Umriss, Flächeninhalt als auch Wasservolumen der unterhalb des
postulierten Wasserspiegels liegenden, überschwemmten Flächen berechnet. Das
Ergebnis einer „Cut-Fill“ Analyse ist im 3-D Analyst nicht als Vektor File verfügbar,
sondern wird in einer 2D-Ansicht als Grid wiedergegeben. In Abb. 134. ist ein solches
Grid dargestellt: Die Flächen, die unterhalb der schiefen Ebene liegen (also die
potentiellen Inundationsflächen) werden rot, diejenigen, die oberhalb der Ebene
liegen (trockenen Flächen) blau darstellt. Die zugehörigen Volumenangaben werden
in der VAT aufgelistet. Die räumliche Auflösung, die Grid Cell size lag bei 2 m, d.h.
ein Pixel repräsentiert eine Fläche von 4 m². Bei den Inundationsflächenberechnungen wurde unterschieden zwischen Bruttoinundationsflächen
(Gesamtheit aller von Wasser bedeckter Flächen) und Nettoinundationsflächen
(Bruttoinundationsflächen abzüglich der permanenten Wasserflächen wie z.B.
Baggerseen, Rhein bei Mittelwasser).
Als Ausgangshochwasser für die Erstellung der schiefen Ebene wurde ein
Wasserstand von 800 cm am Pegel Speyer definiert. Von dieser Ebene aus wurden
in 25-cm Schritten insgesamt 17 schiefe Ebenen bis hinunter zu einem Wassertand
von 400 cm am Pegel Speyer konstruiert und die zugehörigen
„Überschwemmungsflächen“ errechnet. Die Ergebnisse der Umriss-, Flächen und
Volumenberechnungen finden sich in Tabellenform nach Wasserständen
aufgeschlüsselt in Abb. Tab. 10.. Die aus den „Cut-Fill“ Analysen gewonnenen Grids
der Netto-Inundationsflächen (Definition Netto-Inundationsflächen siehe Abb. 135.)
wurden in ArcView Shapes transformiert und in Karten dargestellt. Die Abb. 136.
zeigt eine solche Karte als Screenshot in ArcView: Zur besseren Orientierung wurden
Luftbilder des Untersuchungsgebietes in den Hintergrund des Views gelegt. Darüber
wurden die für die verschiedenen Wasserstände berechneten NettoInundationsflächendaten gelegt. In der Abbildung sind beispielsweise die für einen über mehrere Tage hinweg auf diesem Niveau verharrenden – Wasserstand von
450cm am Pegel Speyer berechneten Bruttoinundationsflächen dunkelblau, die für
einen Wasserstand von 650cm berechneten Flächen hellgrün dargestellt.
VII.5. Vergleich der im GIS simulierten mit
den tatsächlich beobachten Inundationen
Der Vergleich zwischen den simulierten und den empirisch erhobenen Daten ergab,
dass anhand des Modells oftmals Umriss und Fläche der Inundationsflächen
erfreulich genau berechnet werden können. Allerdings stimmt der Wasserstand, bei
welchem diese Inundationen im Untersuchungsgebiet tatsächlich auftreten, nicht mit
dem der Berechnung zugrundeliegenden Wasserstand überein: Das Ausmaß der
simulierten Inundationen ist dramatischer als die im Gelände beobachteten
Überschwemmungen. Beispielsweise treten die für einen Wasserstand von 600 cm
am Pegel Speyer berechneten Direkten Inundationsflächen erst bei Wasserständen
von 750 cm auf. Lage und Umriss der simulierten Flächen stimmen dann allerdings
mit den mit den bei höheren Wasserständen kartierten Inundationen überein. Bei
116
Druckwasserflächen treten zwischen simuliertem und tatsächlich beobachtetem
Überschwemmungsflächen die größten Unterschiede auf.
Da die Simulationen auf stark vereinfachten Annahmen beruhen (z.B. Annahme von
hydrostatischen Wasserständen, Annahme eines wasserdurchlässigen, homogenen
Untergrundes) war dieser Fehler (insbesondere bei Druckwasserflächen) zu
erwarten. Bei Hochwasserereignissen schwanken die Wasserstände sehr rasch und
gerade bei eingipfligen Hochwasserwellen sinken die Wasserstände nach Erreichen
des Maximums rasch wieder ab.
VII.6. Erarbeitung der Inundationsflächenprognosen
Entsprechend ihres unterschiedlichen Inundationsverhaltens wurden bei der
Erstellung
der
Inundationsflächenprognosen
jeweils
verschiedene
Modellierungsverfahren für direkte Inundationsflächen, Sickerwassersammelflächen
und Druckwasserflächen angewendet:
VII.6.1. Direkte Inundationsflächen
Ob eine Fläche in der rezenten Aue bei einem bestimmten Rheinwasserstand
überschwemmt wird oder nicht, hängt in erster Linie von ihrer Höhenlage gegenüber
dem Rheinwasserstand ab. Die Untersuchungen im Gelände (s.o.) hatten ergeben,
dass sich Hochwasserwellen in der rezenten Aue rasch ausbreiten und die
Inundationsflächen sich mit nur geringer zeitlicher Verzögerung auf den aktuellen
Rheinwasserstand einstellen. Wenn es nun (wie in dieser Arbeit), lediglich um die
Frage geht, bei welchem Rheinwasserstand eine bestimmte Aufläche überschwemmt
wird, ist ein einfaches, auf dem DGHM von HILPISCH basierendes und mit
empirischen
Inundationsflächenkartierungen
geeichtes
deduktives
Modell
vollkommen ausreichend.
Der Vergleich zwischen den anhand des DGHM im GIS simulierten und den
empirisch gewonnenen Inundationsflächendaten zeigte, dass Umriss und Fläche der
tatsächlichen Inundationen hinreichend genau berechnet werden konnten und
lediglich bezüglich des zugehörigen Wasserstandes angepasst werden musste. Nur
in den wenigen Fällen, in denen das DGHM aufgrund mangelnder Aktualität der
DGK5 das Relief falsch wiedergab, mussten Ausmaß und räumliche Lage der
simulierten Inundationsflächen auf Grundlage der Hochwasserkartierungen
abgeändert werden.
In Abb. 137. sind für den nördlichen Teil des Untersuchungsgebietes die direkten
Inundationsflächen nach Wasserständen in 50cm Schritten gegliedert dargestellt.
Zu den prognostizierten Inundationen im Bereich der Schwetzinger Wiesen ist
anzumerken, dass sie unter der Annahme erstellt wurden, der während des
Hochwassers 1999 beschädigte Sommerdamm würde abgetragen werden. Sie
spiegeln also nicht die reale Situation wieder.
Zu den folgenden Beschreibungen und Karten ist anzumerken, dass es sich bei den
der Berechnung zugrundeliegenden Wasserständen um Tageswasserstände
handelt. Ferner werden sich die auf den Karten dargestellten Inundationen erst dann
einstellen, wenn der Rhein den jeweiligen Wasserstand über mehrere Tage
beibehält.
Prognostizierte Inundationsflächen bei Wasserständen von 450cm am Pegel Speyer (Abb. 138.):
Bereits bei einem Anstieg des Rheins von etwa 80cm über seinen Mittelwasserstand
treten in den Uferbereichen der Altrheinarme erste Inundationsflächen auf:
Die wegen seiner Reiherkolonien unter Schutz gestellten Uferbereiche der
Gemarkung „Im Grün“ (nördliche Kollerinsel). Dem Ufer der Kollerinsel sind mehrere
117
längliche, schilfbestandene, kleine Inseln vorgelagert, die ebenfalls bei geringem
Wasseranstieg überschwemmt werden.
Die Uferbereiche der östlich bzw. nordöstlich von Otterstadt gelegenen länglichen
Halbinsel, aufgrund ihrer Form von den Stechmückenbekämpfern „Banane“ genannt.
Mehrere kleine Senken (zumeist historische, aufgelassene Tongruben) auf der
Halbinsel im Ketscher Altrhein37.
Die Schilfgebiete im Bereich des Angelwaldes, nahe einer Dauercampersiedlung.
Eine Verlandungsfläche im Bereich der ehemaligen Ingestion des Angelhofer
Altrheins.
Bei all diesen Inundationsflächen handelt es sich um Schilfgebiete. Zugleich dienen
sie Aedes Vexans als produktiver Brutplatz.
Prognostizierte Inundationsflächen bei Wasserständen von 500cm am Pegel Speyer (Abb. 139.):
Bei Wasserständen um die 500cm sind nach wie vor die soeben beschriebenen
Inundationsflächen betroffen. Zudem beginnen sich die Schlutensysteme der
Böllenwörth sowie die vorgelagerten Fischergewanne mit vom Otterstädter Altrhein
her einströmendem Wasser zu füllen. Je nach Höhe des Grundwasserstandes
können sich bei derartigen Wasserständen bereits vereinzelt Druckwasserflächen am
Grunde der Schluten und Senken in der Böllenwörth bilden. Ferner sind am Nordrand
des Angelhofer Altrheins, im Reffenthal, im Pfalzwörth sowie in dem schmalen
Auwaldstreifen zwischen Rhein und Hockenheimer Rheinbogen erste Druckwasserflächen zu erwarten
Prognostizierte Inundationsflächen bei Wasserständen von 550cm und 600cm am Pegel Speyer
(Abb. 140. und Abb. 141.):
Im wesentlichen sind die bereits beschriebenen Flächen von Überschwemmungen
betroffen. Ferner werden tiefliegende Uferpartien, wie sie vor allem im Bereich des
Otterstädter Altrheins zu finden sind, flächig überschwemmt. Besonders in der
Böllenwörth und der im Ketscher Altrhein gelegenen Halbinsel entstehen zahlreiche
flussnahe Druckwasserflächen.
Prognostizierte Inundationsflächen bei Wasserständen von 650cm am Pegel Speyer (Abb. 142.):
Bei 650 cm am Pegel Speyer sind flächig überschwemmt:
Das Nordufer der Kollerinsel („Im Grün“), die zahlreichen kleineren Inseln im
Otterstädter Altrhein, die „Banane“ östlich von Otterstadt, sowie die östlich
anschließenden „Fischergewanne“. Ferner die Uferpartien des Ketscher Altrheins
und die Uferpartien des Angelhofer Altrheins im Bereich des Reffenthals.Zudem sind
in der Böllenwörth zahlreiche Schluten und Senken mit vom Otterstädter Altrhein
einströmendem und aus dem Untergrund aufquellenden Wasser geflutet. Im
Angelwald sind bei hohen Grundwasserständen vereinzelt in den Schluten erste
Druckwasseraustritte zu beobachten. Südlich der Autobahnbrücke treten zwischen
Rhein und Rheinhauptdamm beidseitig flächige Überschwemmungen auf.
Prognostizierte Inundationsflächen bei Wasserständen von 700 cm am Pegel Speyer (Abb. 143.)
Ab etwa 700cm am Pegel Speyer treten auch innerhalb der höchstgelegenen
Bereiche der rezenten Aue - im Angelwald und auf der Ketscher Insel - größere
Druckwasserflächen auf. Die Böllenwörth ist bei derartigen Wasserständen bereits
37
Die ehemaligen Tongruben dienten Dr. Becker bei seinen Untersuchungen zu
Ökologie der Stechmücken als Untersuchungsflächen
118
großflächig überschwemmt. Im Bereich der Speyerer Autobahnbrücke reichen die
Inundationen bereits bis an den Fuß des östlichen Rheinhauptdeiches heran.
Prognostizierte Inundationsflächen bei Wasserständen von 750 cm am Pegel Speyer (Abb. 144.):
Im nördlichen und östlichen Bereich des Otterstädter Altrheins reichen die
Inundationen fast überall bis an den Rheinhauptdamm heran. In der Böllenwörth
beginnt sich die Strömungsrichtung umzukehren: während bei Wasserständen bis
knapp über 700cm die Schluten der Böllenwörth von Westen (vom Otterstädter
Altrhein) her geflutet wurden, strömt nun ab etwa 750cm das Wasser vom
Hauptstrom des Rheins über die Böllenwörth in den Otterstädter Altrhein und
„reaktiviert“ so den einstigen Lauf des Rheins. Auch der Ketscher Altrhein wird bei
diesem Wasserstand wieder auf voller Breite durchströmt.
Prognostizierte Inundationsflächen bei Wasserständen von über 800 cm am Pegel Speyer (Abb.
145.):
Die rezente Aue ist ab 800cm nun fast vollständig überschwemmt. Das Wasser reicht
im gesamten Innendeichgebiet bis an den Rheinhauptdamm heran. Lediglich im
Bereich des Angelwaldes und der Ketscher Insel ragen noch größere
zusammenhängende Höhenrücken aus dem Wasser. Steigt der Wasserstand weiter
bis 850cm an, verschwinden auch diese Erhöhungen bis auf kleinste, wenige m²große Reste in den Fluten des Rheins.
VII.6.2. Sickerwassersammelflächen
Eine genaue Prognose dieses Inundationsflächentyps ist kaum möglich, da größere
Wasseraustritte durch Sickerwasser in Nähe des Rheinhauptdammes eine
Bedrohung der Dammstabilität darstellen und in der Regel eine sofortige
Ausbesserung des entsprechenden Dammabschnittes zur Folge haben. Diese
notwendigen Dammerneuerung verhindern natürlich eine genaue Prognose von
Sickerwasser. Dennoch lassen sich die Rahmenbedingungen bzw. die räumliche
Lage von potentiellen Sickerwassersammelflächen genau bestimmen:
Sickerwassersammelflächen entstehen erst bei Wasserständen, bei denen die
Überflutungen in der rezenten Aue bis an den Damm heranreichen.
Die Inundationen müssen zudem über mehrere Tage persistieren. Aus den
Geländekartierungen ergab sich als Erfahrungswert, dass es eines Wasserstandes
am Pegel Speyer von 700 oder mehr über einen Zeitraum von mindestens 2 bis 3
Tagen bedarf, bevor überhaupt mit der Entstehung von Sickerwassersammelflächen
im Untersuchungsgebiet zu rechnen ist.
Ferner treten sie ausschließlich in Geländesenken in unmittelbarer Dammnähe auf.
Eine genaue Abgrenzung zwischen Sickerwasserflächen und dammnahen
Druckwasserflächen ist allerdings kaum möglich. Letztlich resultieren die
dammnahen Inundationen aus einer Überlagerung der beiden Effekte. Da aber
Sickerwasser oberflächlich in die nächstgelegene Senke strömt und sich dort
sammelt, nimmt der Anteil von Sickerwassser an der binnenseitigen Inundation mit
der Entfernung vom Damm rasch ab. Aus dem Vergleich der historischen Karten mit
den Inundationen von 1999 ergab sich ein dammparalleler Bereich von etwa 600m
Breite, in welchem verstärkt mit Sickerwassersammelflächen gerechnet werden
muss. Anhand der empirischen Hochwasserkartierungen von Pfingsten 1999 und des
DGHM-basierten Inundationsflächenmodells wurden Karten der potentiell als
119
Sickerwassersammelflächen in Frage kommenden Flächen in Abhängigkeit vom
Rheinwasserstand erstellt.
Potentielle Sickerwassersammelflächen bei Wasserständen bis 650cm am Pegel Speyer (Abb.
146.)
Im Untersuchungsgebiet ist frühestens bei Wasserständen von über 650cm mit der
Entstehung von Sickerwasserflächen zu rechnen. Hierzu muss die 650cm Marke
aber mindestens 3 bis 4 Tage erreicht werden. Kleine Sickerwassersammelflächen
können dann im rechtsrheinischen Bereich am Herrenteich und dem Pfalzwörth
auftreten. Im linksrheinischen Bereich sind Sickerwasserflächen im eigentlichen
Sinne nicht zu erwarten. Lediglich die größeren Entwässerungsgräben bei Waldsee,
Otterstadt und Speyer beginnen sich rasch mit Wasser zu füllen.
Potentielle Sickerwassersammelflächen bei Wasserständen bei 700cm am Pegel Speyer (Abb.
147.)
Werden dagegen über mehrere Tage Wasserstände von um die 700cm erreicht, sind
erstmals auch größere Sickerwassersammelflächen beobachtet worden. Besonders
gefährdet ist hier der Hockenheimer Rheinbogen im Bereich des Herrenteiches. Auch
auf der Kollerinsel sind in der südlich des Saumagen gelegenen Pferdekoppel
größere Inundationen zu erwarten. Allerdings ist durch die gegenwärtige
Umgestaltung der Kollerinsel in einen Hochwasserpolder mit einer Veränderung der
Inundationsflächenentstehung zu rechnen (wie diese Änderungen aussehen werden,
lässt sich allerdings kaum vorhersagen).
Potentielle Sickerwassersammelflächen bei Wasserständen bei 750cm am Pegel Speyer (Abb.
148.)
Größer Sickerwassersammelflächen sind auch bei 750cm vor allem im Bereich des
Hockenheimer Rheinbogens zu erwarten. Auch auf der Kollerinsel und innerhalb des
Otterstädter Rheinbogens sind zahlreiche dammnahe Flächen gefährdet. Es ist noch
anzumerken, dass die innerhalb des Otterstädter Neubaugebietes „Schmale Behl“
verzeichneten Sickerwassersammelflächen seit der Bebauung nicht mehr auftreten;
die Karte in Abb.VII.22. also nicht mehr die aktuelle Situation wiederspiegelt.
Allerdings hat die Aufschüttung und Versiegelung der „Schmalen Behl“ die
Druckwasserdynamik im Untergrund des Baugebietes nicht unterbunden.
Potentielle Sickerwassersammelflächen bei Wasserständen über 800cm am Pegel Speyer (Abb.
149.)
Bei länger anhaltenden Hochwasserereignissen mit über 800cm am Pegel Speyer ist
eine Entstehung von Sickerwasserflächen in nahezu allen dammnahen Senken zu
erwarten. Bei derartigen Wasserständen reichen die Fluten des Rheins im
Untersuchungsgebiet fast überall an den Rheinhauptdamm heran und beginnen
Druck auf ihn auszuüben. Im Bereich des Dammfußes sind vermehrt Wasseraustritte
von in den Untergrund infiltriertem und oberflächennah landeinwärts gesickertem
Rheinwasser zu erwarten. Ab 800cm erfolgen allerdings in den gleichen Senken
intensive Druckwasseraustritte, weshalb eine zweifelsfreie Identifizierung des
Entstehungsprozesses der binnenseitigen Inundationen zumindest bei diesen
Wasserständen in Dammnähe nicht mehr möglich ist.
120
VII.6.3. Druckwasserflächen
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass sich die Inundationsdynamik von
Druckwasserflächen über deduktive Ansätze nicht sinnvoll berechnen lässt. Die
Erstellung der im folgenden dargestellten Druckwasserkarten basiert deshalb auf
einem induktiven Modellansatz. Es wurden alle verfügbaren, durch die
Geländearbeiten und Luftbildinterpretation empirisch gewonnenen Druckwasserinformationen zusammengetragen. Die anhand dieser Informationen
identifizierten Druckwasserflächen wurden nach der in Abschnitt V.4.5. vorgestellten
Typologie eingeteilt.
Neben dem Problem, die Dynamik der einzelnen Druckwasserfläche zu erfassen und
ihr Verhalten bei künftigen Hochwasserereignissen abzuschätzen, gestaltet sich auch
die Darstellung der Ergebnisse nicht ganz unproblematisch. Die vielfältigen
Erscheinungsformen von Druckwasserflächen und ihre „individuelle“ Reaktion auf
sich ändernden Rheinwasserstände ist nur schwer in Kartenform darstellbar. Die
Ergebnisse der GIS Auswertungen wurden deshalb auf drei Arten dargestellt:
Für einen ersten Überblick oder Fragen der Raumplanung ist es ausreichend, für
definierte Rahmenbedingungen ein „Worst Case“ Szenario darzustellen. In Abb. 150.
ist für verschiedene Wasserstände das maximal zu erwartende Ausmaß der
Überschwemmungen in Form einer klassischen Inundationsflächenkarte dargestellt.
Hierbei ist zu beachten, dass die jeweiligen Wasserstände mindestens 3 und
höchstens 7 Tage andauern müssen, damit sich die dargestellten Inundationsflächen
auch wirklich in der Rheinniederung ausbilden.
Eine weitere Möglichkeit, die Ergebnisse darzustellen, findet sich in Abb. 151. Für
jeden Wasserstand wird
das maximale Ausmaß der einzelnen Überschwemmungsflächen dargestellt. Zudem wird jede Inundationsfläche einem der in
Abschnitt V.4.5. vorgestellten Inundationstypen zugeordnet und über die dort
ebanfalls vorgeschlagenen Kurzzeichen gekennzeichnet und charakterisiert.
Die eleganteste Methode, die Eigenheiten jeder Inundationsfläche darzustellen,
besteht in einer dynamischen GIS Abfrage und Ergebnisvisualisierung. Die
individuellen Eigenschaften der Druckwasserflächen wurden in der GIS Datenbank
als Attribute abgelegt und können entsprechend über eine Datenbankabfrage
visualisiert werden. Im Gegensatz zu einer klassischen Karte bzw. einem Plott ist es
bei dynamisch generierten Karten möglich, durch das Ausblenden von je nach
Fragestellung überflüssigen Karteninhalten auf die wesentliche Information zu
fokussieren. Ein naheliegender Gedanke ist die Verbreitung von GIS-generierten
Iunundationsflächenprognosen in Form einer kartenbasierten Visualisierung über ein
Internet-interface. Die Erarbeitung einer möglichst effizienten und benutzerfreundlichen Aufbereitung der gewonnenen Inundationsflächendaten würde
allerdings den Rahmen des Promotionsvorhabens sprengen und muss Gegenstand
eines eigenen, geoinformatischen Forschungsprojektes sein (siehe auch Ausblick).
VII.6.3.1 Textteil zu
Untersuchungsgebiet
den
Übersichtskarten
zur
Druckwasserflächenprognose
im
Potentielle Druckwasserflächen bei Wasserständen bei 500cm am Pegel Speyer (Abb. 152.)
Druckwasserflächen sind bei Wasserständen von 500cm im Saumagen im Norden
der Kollerinsel, in den Entwässerungsgräben östlich von Waldsee und in geringem
Ausmaß auch in den Tongruben nahe des Wasserwerks Waldsee zu erwarten. Auf
der rechtsrheinischen Seite können Druckwasserflächen im Herrenteich und nahe
des Pfalzwörth am Ketschergraben entstehen.
121
Potentielle Druckwasserflächen bei Wasserständen bis 600cm am Pegel Speyer (Abb. 152.)
Das Ausmaß der soeben beschriebenen Druckwasserflächen nimmt bei
Wasserständen von 550cm weiter zu – insbesondere im Saumagen im Norden der
Kollerinsel. Ferner sind nun auch in der Verlängerung des Waldseegrabens nach
Süden in Richtung Otterstadt, im Graben am südlichen Hochgestaderand von
Otterstadt sowie im Naturschutzgebiet zwischen den Breitwiesen und der Ketschau
kleinere Wasseraustritte zu erwarten.
Potentielle Druckwasserflächen bei Wasserständen bei 650cm am Pegel Speyer (Abb. 152.)
Im Bereich des Lachgrabens östlich von Waldsee sowie im benachbarten Großmaar
sind größere Inundationen zu beobachten, wobei bei diesen Wasserständen
allerdings bereits der oberflächliche Zufluss durch die Entwässerungskanäle
gegenüber der Druckwasserbildung dominiert. Persistiert der Wasserstand länger als
eine Woche auf 650 am Pegel Speyer, ist bereits mit erheblichen Druckwasser- bzw.
Sickerwassersammelflächen im Bereich des Herrenteichs zu rechnen. Ebenso
entstehen dann in den Breitwiesen sowie in den Naturschutzgebieten südlich des
Siegelhain Druckwasserflächen. Im Norden der Speyerer Gemarkung füllen sich die
Entwässerungsgräben.
Potentielle Druckwasserflächen bei Wasserständen bis 750cm am Pegel Speyer (Abb. 150.)
Während des Pfingsthochwassers 1999 stieg der Wasserstand am Pegel Speyer bis
fast auf 900 cm, sank dann aber rasch wieder ab und verharrte in den folgenden
Wochen auf einem Niveau zwischen 700 und 750cm. Die Inundationen stiegen im
Vergleich zu den Inundationen der bisher beschriebenen Wasserstände sprunghaft
an und betrafen auch weit vom Rhein entfernte Flächen der Rheinniederung:
Im Norden des Untersuchungsgebietes werden durch Druckwasseraustritte weite
Flächen der Campinganlage „Auf der Au“ überflutet. Überschwemmt werden
zahlreiche Flächen am Falkenhof, auf den Burgwiesen, im Bereich des Wasserwerks
und das Großmaar. Im Otterständter Rheinbogen werden der Lachgraben sowie
zahlreiche Äcker mitsamt Feldwegen flächig überschwemmt. Die Druckwasser- und
Sickerwasseraustritte auf der Kollerinsel führen trotz Hochwasserdamm zu einer
nahezu vollständigen Überschwemmung der Insel. Bei den Häusern in Otterstadt,
die in der Rheinniederung errichtet wurden, sind bei derartigen Wasserständen
Wasseraustritte im Keller bzw. druckwasserbedingte Bauschäden wahrscheinlich.
Zwischen Otterstadt und dem Reffenthal entstehen auf den Äckern größere
Inundationen. Am südlichen Ortsrand von Otterstadt entstehen am Hochgestaderand
und nördlich des Binsfeld, auf Speyerer Gemarkung entstehen am Deutschhof, an
der Mülldeponie, in den Gewerbegebieten am Schlangenwhyl und Rübsamenwyhl
ebenfalls größere Überschwemmungen. Auf der rechtsrheinischen Seite stehen
große Teile des Hockenheimer Rheinbogens unter Wasser. Insbesondere der
Flugplatz Herrenteich verwandelt sich bei derartigen Wasserständen in einen
temporären See.
Potentielle Druckwasserflächen bei Wasserständen bis 850cm am Pegel Speyer (Abb. 150.)
Halten derartig hohe Wasserstände länger an, besteht die erhöhte Gefahr eines
Dammbruchs. Sickerwassersammelflächen entstehen nun sehr zahlreich in
Dammnähe und sind von den nun in jeder Geländesenke auftretenden
Druckwasserflächen kaum noch zu unterscheiden. Viele der bisher beschriebenen
122
Druckwasserflächen weiten ihre Fläche stark aus und verschmelzen mit
benachbarten Flächen. Mehrere größere, seeartige Wasserflächen entstehen: Der
Herrenteich, die Breitwiesen, der ehemalige Karl-Ludwig-See bei Ketsch sowie der
Bereich zwischen Oder und Rheinhauptdamm. Auch die Kollerinsel hätte sich bei
derartigen Wasserständen in einen, mit eine Damm umgebenen See verwandelt.
Künftig wird im Zuge des Polderbaus ein Fluten der Koller gezielt erfolgen.
Infolge der Druckwasseraustritte werden ebenfalls die bereits längst verlandeten
Mäanderbögen (z.B. die Mäanderbögen am Ortsrand von Waldsee und Otterstadt) in
weiten Teilen wieder mit Wasser gefüllt, so dass beim Betrachten der Luftbilder der
Eindruck entsteht, der Fluss würde wieder in seine alten Läufe strömen.
Auf Speyerer Gemarkung werden bei derartigen Wasserständen die in den letzten
Jahren im Bereich der Rheinhausener Weide und im Schlangenwyhl errichteten
Gewerbebetriebe über starke Druckwasseraustritte auf ihren Grundstücken und
Schäden an Gebäuden und Infrastruktur klagen.
IV.6.3.2. Detailkarten zur Druckwasserflächenprognose im Untersuchungsgebiet
Bei einigen Anwendungen in Forschung und Praxis steht nun nicht so sehr die
Frage, welche Inundationen bei einem definierten Wasserstand zu erwarten sind,
sondern vielmehr das Inundationsverhalten der einzelnen Überschwemmungsflächen
im Mittelpunkt des Interesses. In diesem Fall ist eine Ergebnisdarstellung wie in Abb.
151. vorzuziehen:
Im Kartenausschnitt sind die Rheinniederung östlich von Waldsee und der westliche
Teil der Kollerinsel abgebildet. Die Inundationsflächen sind in einem Ausmaß, wie
es bei etwa 650 cm am Pegel Speyer zu erwarten ist, dargestellt. Ferner ist das
Inundationsverhalten jeder einzelnen Inundationsfläche sowie die Beschaffeheit
ihres direkten Untergrundes über eine
in Abschnitt V.4.5. vorgeschlagene
Beschriftung angegeben. Zur Erläuterung der Beschriftung sollen folgende Beispiel
dienen:
Großmaar: DWF(-1,3);SWF(1,3-)/wh
Aus dieser Beschriftung lässt sich ablesen, dass bei niedrigen Wasserständen von
1,3m über dem Mittelwasserstand innerhalb dieser Fläche mit der Ausbildung von
Druckwasserflächen zu rechnen ist. Steigt der Rhein weiter an, strömt oberflächlich
Wasser in die Senke und die Fläche verliert ihren urspünglichen Charakter als
Druckwasserfläche und ist nun dem Typ der Sickerwassersammelfläche zuzuordnen.
Ferner besteht der Untergrund aus wasserhemmenden Sedimenten. Dies bedeutet
wiederum, dass auch nur dann mit Druckwasseraustritten zu rechnen ist, wenn der
Rhein sehr lange den entsprechenden Wasserstand hält. Umgekehrt versickert
einmal in der Inundationsfläche befindliches Wasser nur sehr langsam.
Weitere Informationen: Beim Großmaar handelt es sich um eine klassische
Sickerwassersammelfläche, welche Anschluss an drei Entwässerungskanäle hat. Sie
fungiert als eine Art Zwischenspeicher für das in den Entwässerungskanälen
gesammelte Wasser. Sinkt der Rheinwasserstand, wird nordöstlich von Waldsee
eine Schleuse geöffnet und in den Rhein entwässert.
Im Grün: DI(0,8-)/wl
Es handelt sich um eine klassische Direkte Inundationsfläche: Ab Wasserständen
von 0,8 m über dem Mittelwasserstand beginnt der Rhein diese Fläche direkt zu
überschwemmen. Da der Untergrund aus wasserleitenden Sedimenten besteht, ist
auch nicht mit dem Verbleiben von größeren Restwasserflächen zu rechnen, wenn
sich der Rhein wieder in sein Mittelwasserbett zurückzieht.
123
Auf der Au: DWF(2,3-)/wh
Bei dieser Fläche handelt es sich um eine klassische Druckwasserfläche. Hier
beginnt erst ab Wasserständen von 2,3 m über dem Mittelwasserstand Druckwasser
auszutreten. Die Ursache hierfür ist in den wasserhemmenden Sedimenten im
unmittelbaren Untergrund zu sehen. Ebenso versickert einmal ausgetretenes Wasser
in diesen Flächen nur sehr langsam wieder. Es ist z.B. anzunehmen, dass hier bei
einem Hochwasser im Juni ausgetretenes Wasser noch bis September nicht
vollständig versickert und verdunstet ist.
VII.7. Resumé
Im Rahmen der Diplomarbeit von HILPISCH wurde für den nördlichen Teil des
Untersuchungsgebietes ein räumlich hoch aufgelöstes digitales Geländehöhenmodell
(DGHM) auf Basis der DGK5 und aktueller Luftbilder erstellt. Das Geländemodel
wurde unter stark vereinfachenden Annahmen für die Simulation der bei
verschiedenen Wasserständen (die Intervallschritte lagen bei 25cm) zu erwartenden
Überschwemmungen
herangezogen
(einfaches
deduktives
Inundationsflächenmodell). Die so im GIS simulierten Inundationen wurden mit den im Gelände
tatsächlich aufgetretenen Überschwemmungsflächen verglichen. Dieser Vergleich
ergab eine gute Übereinstimmung zwischen berechnetem und beobachtetem Umriss
und Flächeninhalt der Inundationsflächen. Allerdings lagen die Wasserstände, bei
denen die berechneten Überschwemmungsflächen tatsächlich auftreten, deutlich
über den der jeweiligen Berechnung zugrundeliegenden Wasserständen.
Beispielsweise entstehen die für einen Wasserstand von 600cm (Pegel Speyer)
berechneten Inundationen tatsächlich erst beim Eintritt eines Wasserstandes von
750cm. Bei Druckwasserflächen war der Fehler noch ausgeprägter.
Aufgrund dieser Ergebnisse wurde für die Erstellung des im Rahmen der
vorliegenden Arbeit entwickelten Inundationsflächenmodells drei verschiedene
Teilmodelle erarbeitet:
Für jeden der oben definierten Grundinundationsflächentypen (Direkte Inundationsflächen, Sickerwassersammelflächen, Druckwasserflächen) wurde ein eigenes
Inundationsflächenmodell unter Verwendung von z.T. unterschiedlichen Modellansätzen erstellt.
Für die Simulation der Direkten Inundationsflächen erwies sich das vereinfachende,
auf dem DGHM von HILPISCH basierende und mit den empirischen
Inundationsflächenkartierungen kallibrierte deduktive Modell als vollkommen
ausreichend. Die auf der Grundlage dieses Teilmodells für Wasserstände von 500cm
bis 800cm am Pegel Speyer prognostizierten Direkten Inundationsflächen wurden in
Karten dargestellt (siehe Abb. 139 bis Abb. 145).
Für Sickerwassersammelflächen wurde angenommen, das sie überhaupt erst bei
Wasserständen von 650cm am Pegel Speyer und auch nur in Geländesenken in
unmittelbarer Dammnähe (bis maximal etwa 600m Entfernung vom Damm)
entstehen. Da eine Entstehung dieser Flächen stark von der (vor einem Hochwasser
nicht bestimmbaren) Durchlässigkeit des Dammes bzw. der oberflächennahen
Flusswasserinfiltration abhängt, ist eine Prognose dieser Flächen nicht möglich. Es
lassen sich aber diejenigen Flächen bestimmen, in denen sich bei einem definierten
Wasserstand das hinter dem Damm austretende Wasser potenziell sammelt. Die
Bestimmung dieser Inundationsflächen in Abhängigkeit vom jeweiligen Wasserstand
basierte wiederum auf dem deduktiven Inundationsflächenmodell, welches bereits
zur Prognose der Direkten Inundationen herangezogen worden war. Die auf der
124
Grundlage dieses Teilmodells für Wasserstände von 650cm bis 800cm am Pegel
Speyer potenziellen Sickerwassersammelflächen wurden in Karten dargestellt (siehe
Abb. 139 bis Abb. 145).
Für
die
Prognose
der
Druckwasserflächen
konnte
das
deduktive
Inundationsflächenmodell aufgrund erheblicher Unterschiede zwischen berechneten
und beobachteten Inundationen nicht mehr verwendet werden. Anhand der für die
meisten Wasserstände bereits vorliegenden empirischen Inundationsflächendaten
wurden ein induktives Druckwasserflächenmodell erstellt. Die Inundationsdynamik
dieser Flächen wurde zum einen in Karten dargestellt, welche das maximal zu
erwartende Ausmaß der Druckwasserflächen in Abhängigkeit vom Wasserstand
darstellenden Karten (siehe Abb. 152. und Abb.150.) anzeigen. Zum anderen wurden
Karten, aus denen die Inundationsdynamik der einzelnen Flächen bei verschiedenen
Wasserständen hervorgeht, angefertigt (siehe Abb.151.).
125
VIII. Offene Aufgaben und Forschungsfragen
VIII.1. Nutzung des erarbeiteten Inundationsflächenmodells zur
Hochwasserwarnung und –vorhersage
VIII.1.1. Die Notwendigkeit von Wasserstands- und
Inundationsflächenvorhersagen
In der Einleitung zu dieser Arbeit wurde bereits darauf hingewiesen, dass die
gegenwärtig in der Rheinaue vorgenommene Nutzung (z.B. als Wohn- und
Gewerbeflächen) oftmals in erheblichem Widerspruch zu der nach wie vor
bestehenden Bedrohung durch Hochwasser und Druckwasseraustritte steht. Je
intensiver die Altaue genutzt wird und je wertvoller das in ihr befindliche
schützenswerte Gut ist, desto höher sind die Anforderungen an den technischen
Hochwasserschutz und umso dramatischer ist sein Versagen. Es muss aber betont
werden, dass trotz hoher Investitionen in die Errichtung und Unterhaltung von
Dämmen und Retentionsflächen der technische Hochwasserschutz nur bedingt
Schutz bieten kann. Denn zum einen besteht am Oberrhein nach wie vor die
Möglichkeit eines Dammbruchs. Würden die gleichen Niederschlagsmengen, welche
das Elbhochwasser 2002 auslösten, im Einzugsgebiet des Rheins niedergehen, ist
flussabwärts ab Iffezheim mit Dammbrüchen zu rechnen. Zum zweiten wurde in der
vorliegenden Arbeit eindringlich auf die (auch bei intakten Dämmen bestehende)
Problematik der Druckwasserflächen hingewiesen.
So notwendig und wichtig Maßnahmen des technischen Hochwasserschutzes im
Einzelfall auch sein mögen, sie verlieren ihren Sinn, wenn sich die betroffenen
Bürger und Unternehmen in falscher Sicherheit wiegen und die eingedeichten
Flächen in einer nicht an die natürlichen Gegebenheiten und die reale
Hochwassergefahr angepassten Weise nutzen. Die Vorstellung für die reale
Hochwasserbedrohung in der Aue ist, wie die Beispiele aus dem
Untersuchungsgebiet zeigten, in der Vergangenheit oftmals verlorenen gegangen
oder bewusst missachtet worden. Nur so ist es zu erklären, das Druckwasserflächen
bebaut wurden, die aufgrund ihrer naturräumlichen Ausstattung besser als
Feuchtbiotop oder Naherholungsgebiet genutzt worden wären.
Hier ist es nun einerseits unvermeidlich, dass von Seiten der Planung und Politik eine
weitere Bebauung bzw. unangepasste Nutzung von Auflächen und insbesondere von
Druckwasserflächen verhindert wird. In der Vergangenheit eilte die Planung in
einigen Fällen der bereits wild gewachsenen Flächennutzung hinterher und konnte
nur versuchen, Schlimmeres zu vermeiden, anstatt selbst eine planvolle,
angemessene Nutzung vorzugeben (siehe z.B. MODROW (1981)). Allerdings
haben die Beispiele in der vorliegenden Arbeit auch gezeigt, das noch in jüngster
Vergangenheit im Rahmen regulärer Planungsverfahren Wohn- und Gewerbeflächen
inmitten von druck- und hochwassergefährdeten Bereichen ausgewiesen wurden.
Andererseits ist es wenig hilfreich, sich darauf zu versteifen, die Problemlösung
ausschließlich in den Bereich von Planung und Politik zu legen. Denn schließlich ist
für die Entscheidung, ein Gebäude im hochwassergefährdeten Bereich zu errichten,
der jeweilige Bauherr selbst verantwortlich. Der Aufklärung der betroffenen
Bevölkerungs- und Interessensgruppen über die realen Bedrohung durch Hoch- bzw.
Druckwasser kommt deshalb große Bedeutung zu. Die Bürger und Unternehmen,
welche in Standorte in der Altaue investieren, dürfen sich nicht in falscher Sicherheit
wiegen oder müssen sich der Gefährdung zumindest in voller Tragweite bewusst
126
sein, um entsprechende Vorsorgemaßnahmen ergreifen zu können. Ein gutes
Beispiel für das Potenzial der Schadensverminderung durch Aufklärung und
Frühwarnung der betroffenen Bürgerschaft gibt die Länderarbeitsgemeinschaft
Wasser (LAWA) in ihren „Leitlinien für einen Zukunftsweisenden Hochwasserschutz“
(LAWA, (1995)): Die Sicherung der Kölner Altstadt bis zu einem 15-jährlichen
Hochwasser (durch eine Hochwasserschutzmauer) hatte das Bewusstsein, auch
weiterhin im Überschwemmungsgebiet des Rheins zu leben, entgegen der realen
Hochwassergefährdung in der Bevölkerung soweit in den Hintergrund treten lassen,
das bei dem Dezemberhochwasser 1993 ein Schaden von 110 Mio. DM eintrat.
Durch dieses Ereignis wurde das Bewusstsein für die reale Hochwassergefahr
wieder geschärft, so dass das Hochwasser im Januar 1995 (sogar bei einem
höheren Wasserstand) lediglich einen Schaden von 65 Mio. DM anrichtete. Eine
Halbierung des Schadens von einem Jahr auf das andere durch Schärfung des
Gefahrenbewusstseins in der Bevölkerung zeigt das Potenzial an, welches in einer
effektiven Informationsvermittlung an die verschiedenen Zielgruppen liegt.
Die Hochwassermeldezentralen der Bundesländer leisten hierzu bereits seit Jahren
einen wichtigen Beitrag. Doch Hochwasservorhersagen verlieren an Wirkung, wenn
ihre Prognosen und Warnungen in ihrer Bedeutung nicht richtig verstanden werden.
Beispielsweise ist die Information des in 24 Stunden an einem amtlichen Flusspegel
zu erwartenden Wasserstandes für den Normalbürger wertlos, wenn sie nicht mit
einer räumlichen Information verbunden wird. Denn eigentlich möchte der Bürger
nicht wissen, wie hoch das Wasser an den Pegeln steht, sondern ob sein Haus im
Überschwemmungsbereich stehen wird oder nicht. Inundationsflächenkarten, welche
das Ausmaß der aktuellen bzw. der in 24 Stunden zu erwartenden
Überschwemmungen darstellen, können hier Abhilfe schaffen.
VIII.1.2. Verbreitung von Inundationsflächendaten in einem internetbasierten
Hochwasserinformationssystem
Es gilt deshalb die Wasserstandsvorhersagen der Hochwasservorhersagezentralen
mit Inundationsflächenmodellen zu koppeln. Für das Untersuchungsgebiet wurde in
der vorliegenden Arbeit ein solches Modell erstellt. Die zu erwartenden
Überschwemmungen lassen sich in Abhängigkeit vom jeweils vorhergesagten
Wasserstand am Pegel Speyer in digitalen Karten darstellen. Eine Verbreitung
derartiger Inundationsflächenvorhersagen über das Internet bietet sich geradezu an.
Ebenso wie heute die Wasserstandsvorhersagen der HVZ in Diagrammform abrufbar
sind, ließen sich künftig auch dynamisch generierte Überschwemmungsflächenvorhersagen sowie weitere wertvolle Informationen zur aktuellen Hochwassersituation in Sekundenschnelle verbreiten. Im folgenden seien Aufgaben und
Grundkonzeption eines solchen internetbasierten Hochwasserinformationssystems
kurz skizziert.
IX.1.2.1. Aufgabe und Nutzen eines internetbasierten Hochwasserinformationssystems (IHI)
Angestrebt ist die Entwicklung eines dynamischen (auch mobil verfügbaren)
internetbasierten Hochwasserinformationssystems (im folgenden abgekürzt als IHI),
welches einerseits die zahlreichen, bereits existierenden Vorhersagemodelle (Direkte
Inundationsflächen,
Dammbruchmodelle,
Druckwasserflächenmodelle)
und
relevanten Umweltdaten sammelt, integriert und analysiert, und andererseits die
gewonnenen Hochwasservorhersagen und -informationen den betroffenen und
interessierten Bürgern ohne Zeitverzögerung in angemessener, leicht verständlicher
Weise zukommen lässt. Um möglichst viele Bevölkerungsgruppen zu erreichen, muß
127
der Zugriff auf das Hochwasserinformationssystem über verschiedene Medien z.B.
über das Internet, als mobiler Dienst (z.B. iPaq, UMTS Mobile Phone), als SMS, email, Fax oder telefonisch als voice mail möglich sein.
Die zu verbreitenden Informationen umfassen I. Prävention (z.B. Gefahrenpotenzialskarten: Welche Kommunen, Gebäude, usw. sind potenziell wie stark von
Hochwasser gefährdet), II. aktuelle Vorhersagen (z.B. Überschwemmungsflächenvorhersage, Vorhersage von Wasserstandstiefen) und individuelle
Warnungen (z.B. Senden einer europaweit empfangbaren SMS an den Besitzer
eines akut hochwassergefährdeten Hauses) sowie III. Krisenmanagement (z.B.
Übermittlung von aktueller Informationen und Aufrufen der Krisenstäbe).
I. Prävention: Aufklärung der Bevölkerung über die Hochwasserrisiken
Durch die Verbreitung von Hochwasserinformationen (z.B. Überflutungs-,
Druckwasser- und Gefahrenpotentialkarten) über ein IHI soll die Aufklärung der
Bürger über die Überschwemmungsrisiken und –häufigkeiten der verschiedenen
Flussund
Gewässersysteme
Deutschlands
verbessert
werden.
Die
Hochwasserrisiken werden so für jeden interessierten Bürger klar erkennbar. Auf
dieser Grundlage kann auf eine Minderung des Schadenspotenzials hingearbeitet
werden. Ein Bürger soll sich so beispielsweise bereits vor dem Kauf eines Hauses in
Flussnähe mittels des IHI jederzeit, einfach, schnell und kostenlos über die
Hochwassergefährdung des Gebäudes informieren können. Dadurch können
frühzeitig Maßnahmen zur Schadensminimierung ergriffen werden wie z.B. den
Stromverteilerkasten nicht im Keller, sondern in oberen Stockwerken zu installieren.
Wichtig ist dabei, dass die digitalen Gefahrenpotenzialkarten leicht verständlich
(keine komplizierte Legende) sind, und räumlich hoch aufgelöst vorliegen (Maßstab
1:5000 und genauer) und der vom Benutzer gewünschte Kartenausschnitt einfach
aufgerufen werden kann.
II. Vorhersage: Warnung der Bevölkerung bei akuter Hochwassergefahr
Das IHI sammelt die aktuellen, für eine Hochwasservorhersage relevanten
Umweltdaten (z.B. Wasserstände der amtlichen Gewässerpegel, Wettervorhersagedaten, Niederschlagswerte in den Flusseinzugsgebieten, Schneeschmelze, usw.). Die bereits bestehenden und bewährten Vorhersagemodelle (z.B.
Wasserstandvorhersagemodelle der HvZ; Howis der Stadt Heidelberg) werden in das
IHI integriert und um weitere Vorhersagemodelle (z.B. für Direkte Inundationsflächen
und Druckwasserflächen) erweitert. Die berechneten Vorhersagen werden ohne
Zeitverzögerung in Form der bewährten Wasserstandsvorhersage-Diagramme, aber
auch digital in Form von Überschwemmungsflächenkarten und Wasserstandstiefenkarten dynamisch generiert und über verschiedene Medien verbreitet. Das IHI
sendet ferner im Hochwasserfall automatisch Warnungen an die jeweils von
Überschwemmung bedrohte Bevölkerung, sofern diese zuvor ihre Telefonnummern
oder e-mail Adresse und den Standort des hochwassergefährdeten Objekts (z.B. die
eigene Wohnung) zu diesem Zweck über das Internet in das Warnsystem
eingetragen haben.
III. Krisenmanagement: Kommunikationsplattform für Krisenstäbe, Behörden und
Bürger
Im Falle einer Hochwasserkatastrophe können die Krisenstäbe über das IHI Aufrufe
und Hinweise an die Bevölkerung übermitteln. Über eine Hochwasserdatenbank
erhalten Bürger Ratschläge für einen besonnenen Umgang mit der Gefahr (Keller
auspumpen oder nicht?, wie sichere ich einen Öltank gegen Hochwasser, Gefahren
128
durch Trinkwasserverunreinigung, usw.); über eine online-Redaktion der Krisenstäbe
die wichtigsten aktuellen Informationen (wo wurden Sandsackdepots, Notunterkünfte,
Behelfskrankenhäuser eingerichtet? Usw.). Mittels mobiler Empfangsgeräte (LBS)
können von autorisierten Personen Informationen vor Ort nicht nur empfangen,
sondern auch eingegeben werden (z.B. aktuelle Lagebericht von gefährdeten
Deichen, Aktivierung von Krisenplänen,...). Aufgrund von Überschwemmungen
gesperrte Straßen und Wege werden im IHI gemeinsam mit alternativen Routen
angezeigt. Um die Selbsthilfe der Bürger zu erleichtern und zu organisieren, können
über ein digitales, nach Regionen und Ortschaften, Stadtteilen gegliedertes
„Schwarzes Brett“ Hilfsgesuche und Angebote eingetragen werden.
Alle dynamischen Informationsdienste können vom Bürger entweder abgerufen oder
bei akuter Gefahr auch ohne vorherige Anfrage vom System direkt übermittelt
werden.
IX.1.2.2. Exkurs: Technische Herausforderungen bei der Entwicklung eines internetbasierten
Hochwasserinformationssystems
Im folgenden seien kurz verschiedene informationstechnische Arbeits- und
Forschungsbereiche skizziert, welche sich bei der Entwicklung eines IHI stellen:
Die Integration heterogener Datenbestände (z.B. Fachinformationen der Behörden,
dynamisch aktualisierte Umweltdaten, Wasserstandsvorhersagen der HVZ) stellt eine
besondere Herausforderung dar, für die es bis heute keine Standardlösungen gibt.
Die Systemarchitektur muss offen sein für verschiedenste Schnittstellen zur
Dateneingabe (z.B. Niederschlagsdaten, Datenbanken der Fachbehörden), aber
auch zur Datenausgabe auf die Endgeräte (z.B. PC, Telefon, SMS, Telefax). Ebenso
muss das System skalierbar sein, um auch für heute noch nicht absehbare, künftig
aber gewünschte Zusatzkomponenten erweiterbar zu bleiben (z.B. Schnittstelle zu
künftigen Hochwassersystemen benachbarter Staaten (Schweiz) oder für ein
Druckwasserflächenmodell). Es gilt deshalb, eine verteilte Systemarchitektur zu
entwickeln, welche die Integration heterogener Endgeräte (insbesondere für Local
Based Services (LBS)) erlaubt. Zu den Servicediensten für Umweltdaten müssen
Schnittstellen entwickelt bzw. implementiert und mit den Vorhersagemodellen
gekoppelt werden. Für räumliche Analysen muss ein leistungsstarkes Web-GIS
realisiert werden, welches dynamisch Vorhersagekarten auf Grundlage des
Umweltdateninputs generiert. Das GIS übernimmt dabei auch die Verwaltung
räumlicher Daten und ihrer zeitlichen Veränderungsentwicklung (3D/4D GIS). Ebenso
hat das GIS die Aufgabe individuelle Routenplanungen unter Berücksichtigung der
aktuellen und vorhergesagten Hochwassersituation zu erstellen.
Die erfassten und analysierten Daten müssen im IHI so aufbereitet werden, das sie
für den Benutzer leicht verständlich sind (benutzerangepasstes System). Hierzu sind
optisch ansprechende, leicht bedienbare Benutzerschnittstellen für PC und mobile
Systeme zu entwickeln. Ferner sind die Benutzerschnittstellen auf die Bedürfnisse
der jeweiligen Benutzergruppen anzupassen(z.B. unterschiedliche Graphical User
Interfaces (GUI) für Behörden und Bürger).
129
VIII.2. Offene Forschungsfragen
VIII.2.1. Interpretation von hochwasserbedingten Vegetationsveränderungen
im Luftbild
Die Nutzung von Vegetationsveränderungen als Indikoator für die Verbreitung von
Inundationsflächen erwies sich als eine der wichtigsten Methoden zur Bestimmung
des räumlichen Ausmaßes von Hochwasserereignissen. Der entscheidende Vorteil
dieser Methode besteht darin, dass Vegetationsänderungen oftmals auch Monate
nach einem Hochwasserereignis sichtbar bleiben und in Luftbildern erfasst werden
können. Da in der Vergangenheit nur selten gezielt Befliegungen von
Hochwasserereignissen durchgeführt wurden, ist es sehr unwahrscheinlich, bei der
Recherche auf Fernerkundungsdaten zu stoßen, die tatsächlich während einer
Überschwemmung erstellt wurden. Luftbilder, welche (zumeist zufällig und nicht etwa
gezielt) Vegetationsveränderungen infolge von Hochwassereinwirkung erfassen,
dürften hingegen für die letzten Jahrzehnte für jedes größere Hochwasserereignis
eines Flussgebietes auffindbar sein. Es gilt nun diese wertvollen Informationen richtig
zu interpretieren. In zwei Bereichen besteht hierzu noch dringender
Forschungsbedarf:
Zum einen ist es für eine spätere Interpretation notwendig, die Reaktion der
verschiedenen Pflanzenarten und –formationen bei Hochwassereinwirkung zu
kennen. Eine zusammenfassende Arbeit, welche für jede relevante Pflanzenart in
Text und Bild das optische Erscheinungsbild vor und nach der Überschwemmung
dokumentiert, wäre für die Praxis der Luftbildinterpretation von großem Wert. Neben
den einzelnen Pflanzenarten und der Länge der Überschwemmung ist hierbei auch
die Jahreszeit, zu der sich das Hochwasser ereignet, mit zu berücksichtigen. Ebenso
konnte während der Geländearbeiten nach dem Rückzug des Wassers und dem
Absterben der Primärpflanzen eine Neubesiedlung dieser Flächen durch andere
Pflanzen ( in einer regelrechte Sukzessionsfolge) beobachtet werden.
Zum anderen wäre eine vergleichende Arbeit hilfreich, welche die Abbildung dieser
Vegetationsänderungen
in
den
verschiedenen
Fernerkundungssensoren
systematisch erfasst und beispielhaft beschreibt. Das Ergebnis dieser Betrachtung
könnten beispielsweise Schautafeln sein, in denen ein und dieselbe Fläche (z.B. eine
durch Hochwasser geschädigte Ackerfläche) in einem panchromatischen SW
Luftbild, in einem Infrarotluftbild, usw. dargestellt ist. Während sich Geschwemmsellinien und partiell abgestorbene Getreideflächen noch sehr einfach im Luftbild
erkennen lassen, setzt die richtige Interpretation anderer Pflanzenflächen entweder
zeitgleiche Bodenuntersuchungen (wie im Rahmen dieser Arbeit geschehen) oder
aber systematische Voruntersuchungen und „Schulungsmaterialien“ (wie soeben
skizziert) voraus.
Für eine derartige Untersuchung ist die Fachkenntnis von Hydrogeographen,
Luftbildinterpreten und Botanikern gleichermaßen notwendig.
VIII.2.2. Erfassung der druckwasserbedingten Schäden in der Aue
In der vorliegenden Arbeit wurde mehrfach beispielhaft auf Schäden durch
Druckwasser an in der Altaue befindlichen Gebäuden hingewiesen. Eine
systematische Erfassung und Bezifferung derartiger Schäden liegt bis heute nicht
vor. Eine Untersuchung, welche zum einen die von Druckwasseraustritten
betroffenen Flächen, die durch sie hervorgerufenen Schäden sowie die Reaktionen
und Handlungsmaßnahmen der betroffenen Akteure näher beleuchtet, wäre für die
Entwicklung nachhaltiger planerischer und politischer Konzepte bezüglich der
künftigen Raumnutzung in der Altaue von großem Wert.
130
VIII.2.3. Inundationsflächenmodellierung und Erhebung empirischer
Inundationsflächendaten für andere Flussgebiete
Anhand der empirischen Geländearbeiten konnte für das Untersuchungsgebiet eine
komplexe und nicht trivial beschreibbare Inundationsdynamik nachgewiesen werden.
Die beobachteten Überschwemmungsflächen ließen sich nur bedingt in einem
DGHM basierten Modellansatz simulieren. Dies wirft grundsätzlich die Frage auf, in
wie weit die bisher und gegenwärtig entwickelten Inundationsflächenmodelle
überhaupt realitätsnahe Ergebnisse liefern. Aufgrund des bis heute bestehenden
Mangels an verlässlichen Inundationsflächendaten ist davon auszugehen, das
oftmals höchstens partiell empirische Inundationsdaten zur Modellkalibrierung
vorlagen. Ein bis zwei Hochwasserkartierungen oder gar nur punktuell vorliegende
Hochwassermarken reichen nach den im Untersuchungsgebiet gewonnenen
Erfahrungen nicht aus, um ein Inundationsflächenmodell
für ein größeres
Auengebiet zu kalibrieren. Durch die Medienpräsenz des Elbhochwassers im
Sommer 2002 ist gegenwärtig ein verstärktes Interesse für Hochwasserforschung zu
verzeichnen. Beispielsweise ist nach eigener Beobachtung im Internet die Zahl der
Homepages mit Vorschlägen für neue Forschungsprojekte, Hochwassermodelle und
Krisenmanagementsysteme seit September 2002 erheblich angestiegen. Der hohen
Anzahl an heute bereits bestehenden (bzw. geplanten) Hochwassermodellen steht
eine erstaunlich geringe Anzahl von durch Feldforschung und empirische
Datengewinnung gekennzeichneten Hochwasserprojekten gegenüber.
Die vorliegende Arbeit hat jedoch deutlich gezeigt, das durch die Auswertung
historischer Karten und Luftbilder eine Vielzahl von inundationsrelevanten
Informationen bis hin zu empirischen Überschwemmungsflächenkarten gewonnen
werden können. Eine systematische Auswertung dieser Daten würde auch für andere
Flussgebiete die meisten Fragen, zu deren Lösung die Modelle entwickelt wurden,
empirisch fundiert beantworten.
In den Fällen, in denen sich die
Inundationsflächendynamik eines Flussgebietes auch durch die Recherche und
Auswertung empirischer Daten erfassen lässt, ist dieser Weg der
Informationsgewinnung einer Modellentwicklung vorzuziehen.
VIII.3. Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere
Untersuchungsgebiete
Aufgrund der spezifischen hydrogeographischen und geologischen Ausstattung des
Untersuchungsgebietes sind die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit nur
eingeschränkt auf andere Flussgebiete übertragbar. Dies gilt insbesondere für die
Druckwasserflächen. Sie spielen nur in Flussabschnitten mit geringem Gefälle (im
Untersuchungsgebiet liegt dieses bei etwa 0,03%) und einer weiten Flussniederung
eine wesentliche Rolle. Ferner muss das Flusswasser mit dem Grundwasserkörper
interagieren, was einen wasserdurchlässigen Untergrund voraussetzt (z.B. die
pleistozänen Schotter und den holozänen Auenmergel am Oberrhein). Ähnliche
naturräumliche Bedingungen wie im Untersuchungsgebiet liegen aber beispielsweise
in einem Großteil der deutschen Elbaue vor.
Die am nördlichen Oberrhein erprobten Methoden zur Erfassung der
Inundationsdynamik lassen sich ohne weiteres auf andere Untersuchungsgebietes
übertragen. Die Rheinstromatlanten des Großherzogtums Baden liegen für ein
Gebiet von Basel bis Mannheim vor und sind nach dem in dieser Arbeit
durchgeführten Verfahren im GIS auswertbar. Hinsichtlich vermessungstechnischer
Qualität und Detailgenauigkeit sind die Rheinstromatlanten zwar als ein frühes
131
Meisterwerk zu bezeichnen, doch spätestens für das späte neunzehnte Jahrhundert
liegen auch für alle anderen Flussgebiete Deutschlands im GIS auswertbare
historische Kartenwerke vor. Auswertbare Luftbilder liegen spätestens seit Mitte des
zwanzigsten Jahrhunderts für alle Gewässer vor; in Einzelfällen reichen die ältesten
Aufnahmen sogar in die Zeit vor dem zweiten Weltkrieg zurück. Mittlerweile sind
auch die von den Alliierten für Aufklärungszwecke geschossenen Luftbilder
verfügbar. Da es sich bei den Zielen der Bombardierungen oftmals um an großen
Flüssen gelegene Städte und Ballungszentren handelte, ist eine Auswertung dieses
Luftbildmaterials vielversprechend. Beispielsweise müssten Aufklärungsluftbilder
existieren, welche Aufschluss über die Überschwemmungen des Rheinhochwassers
im November/Dezember 1944 geben. Methoden zur Auswertung von farbinfrarot und
panchromatischen SW Luftbildern hinsichtlich des Ausmaßes von Inundationsflächen
wurden aufgezeigt und erprobt und lassen sich ohne weiteres auf andere
Flussgebiete anwenden. Dies gilt insbesondere für die Methode der Interpretation
von Vegetationsveränderungen und Ernteschäden.
Die Vorgehensweise bei der Erstellung eines wasserstandsabhängigen
Inundationsflächenmodells ist ebenfalls auf jegliche Art von Untersuchungsgebiet
übertragbar. Die Entwicklung je eines deduktiven, DGHM basierten Modells für die
Berechnung von direkten Inundationsflächen und eines induktiven Modells zur
Prognose der Druckwasserflächen hat sich dabei bewährt.
132
IX. Zusammenfassung
Es besteht in zahlreichen, von der Hydrodynamik in Flussauen tangierten
Forschungs- und Anwendungsbereichen (z.B. Raumplanung, Stechmückenbekämfung, Renaturierungsprojekte, Hochwasserwarnung/ Katastrophenschutz) ein
dringender Bedarf an empirisch fundierten Vorhersagen und Prognosen von
Inundationsflächen. Bisher existieren in Deutschland lediglich für kleinere
Untersuchungsgebiete in Flussauen empirisch erhobene Inundationsflächendaten38.
Die Ursache hierfür liegt nicht etwa in mangelndem Interesse an derartigen Daten,
sondern in den Schwierigkeiten, welche sich bei der Erfassung der hochdynamischen
Hochwasserprozesse ergeben.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es
- praxistaugliche Methoden zur empirischen Erfassung von Überschwemmungsflächen zu entwickeln und in einem Untersuchungsgebiet zu erproben.
- die Inundationsdynamik eines Untersuchungsgebietes sowie die Genese der
rezenten Inundationsflächen beispielhaft quantitativ zu erfassen und zu beschreiben.
Hierzu wurden die im Gelände erhobenen und recherchierten Daten in einem GIS
gesammelt und aufbereitet.
- anhand der gewonnenen Inundationsflächendaten für das Untersuchungsgebiet ein
realistisches und praxistaugliches GIS-basiertes Modell zu entwickeln. Dieses sollte
zum einen in Abhängigkeit vom Rheinwasserstand das Ausmaß der zu erwartenden
Inundationen bestimmen und zum anderen alle potenziell von Überschwemmungen
betroffene Flächen (insbesondere Druckwasserflächen) identifizieren.
Als Untersuchungsgebiet wurde ein 20 km langer Abschnitt des Oberrheins zwischen
Mannheim und Speyer gewählt. Das Gebiet schließt die Auebereiche entlang des
Flusses bis hin zum Hochgestade ein und hat eine Gesamtfläche von rund 100km².
Der Rhein weist hier ein geringes Gefälle auf (0,03%). Im Naturzustand besaß der
Strom deshalb ein weit mäandrierendes, sich beständig durch Seitenerosion und
hochwasserbedingte progressive Sprünge veränderndes Hauptgerinne. Dieses
wurde von allmählich verlandeten Altarmen und Sichelseen flankiert. Seit dem 19.
Jahrhundert ist das Untersuchungsgebiet stark anthropogen überformt worden. Die
Tulla´sche Oberrheinkorrektion erreichte das Gebiet im Jahre 1826; und Anfang des
zwanzigsten Jahrhunderts erfolgte der Ausbau einer Niedrigwasserfahrrinne. Durch
die Eingriffe veränderte sich die Hydrodynamik des Untersuchungsgebietes
schwerwiegend und zerstörte die mittelalterliche Kulturlandschaft. Weite Teile der
Aue wurden durch den Rheinhauptdamm vom Hauptstrom getrennt. Die nach der
Begradigung einsetzende Tiefenerosion des Hauptgerinnes hatte ein Absinken des
Grundwasserspiegels zur Folge. Auwald und extensive Weideflächen wurden
intensiviert und oftmals als Ackerland genutzt. Die Intensivierung der Landnutzung in
den Auen des Untersuchungsgebietes seit dem neunzehnten Jahrhundert vollzog
sich grob in zwei Phasen und ließ sich durch den Vergleich historischer Karten mit
aktuellen Luftbildern im GIS quantifizieren: Etwa ¼ des 1856 noch vorhandenen
Auwaldes wurde bis 1875 gerodet. Der größte Teil dieser Rodungsflächen (3/4)
wurde in Ackerflächen umgewandelt. Ebenso wurden 10% der 1856 noch extensiv
als Grünland genutzten Flächen bis 1875 in Ackerland überführt. Bereits von 1856
bis 1875 nahm der Anteil der offenen Sand- und Kiesbänke des Rheingerinnes um
74% (!) ab, was als ein deutlicher Hinweis auf das Ende der natürlichen Erosionsund Sedimentationsprozesse im Gerinnebett zu interpretieren ist. Bis 1999 waren
38
Diese Daten wurden zumeist im Rahmen der Voruntersuchung potenzieller Rückhalteräume
erhoben
133
offene Kiesbänke faktisch gänzlich verschwunden. Vor allem seit der Mitte des
zwanzigsten Jahrhunderts entstanden dann als zweite Phase der Nutzungsintensivierung Gewerbeflächen, Militäranlagen, Freizeitanlagen und sogar
Wohngebiete in den ehemaligen Rheinauen. Dabei ist bemerkenswert, dass die bis
1999 am stärksten anthropogen überformten Flächen zu 70% im Jahre 1856 noch zu
den am stärksten durchfeuchteten und extensiv genutzten Flächen gehörten. Dies
liegt vor allem am Kiesabbau, der große Teile dieser Flächen vollständig ausgeräumt
hat. Bemerkenswert ist, dass sich 40% aller durch Bebauung versiegelten Flächen
des Untersuchungsgebietes auf 1856 noch durchfeuchteten Standorten und nicht
etwa auf den höher gelegenen Ackerflächen befinden. Diese Entwicklung ist aus
heutiger Sicht eine eindeutige Fehlentwicklung gewesen, da diese Standorte zum
einen derzeit starke Druckwasserprobleme aufweisen und zum anderen zu den am
stärksten von einem Dammbruch bedrohten Flächen zählen. Anfang der 1970er
Jahre wurde bereits von der IRK nachgewiesen, dass durch den Staustufenbau die
Hochwassergefahr wieder dramatisch angestiegen war. Während noch an der
Staustufe Iffezheim gebaut wurde, begann die Fachdiskussion, wie dieser Schutz
wieder herzustellen sei. Auf internationaler Ebene wurden Verträge zum Bau von
Retentionsflächen beschlossen. Die Umsetzung dieses Programms dauert bis heute
an. In den 1980er Jahren gewannen Naturschutz bzw. Renaturierung an politischem
Gewicht, weshalb das Land Baden-Württemberg 1988 im Integrierten
Rheinprogramm die Auenrenaturierung als gleichwertiges Ziel neben die
Wiederherstellung des Hochwasserschutzes stellte. Im Untersuchungsgebiet werden
derzeit die Kollerinsel, die Schwetzinger Wiesen und die Insel Flozgrün zu
Retentionsflächen umgebaut und renaturiert.
Von 1997 bis 2001 wurden die Überschwemmungen der in diesem Zeitraum im
Untersuchungsgebiet abgelaufenen Hochwasserereignisse erfasst und kartiert.
Hinsichtlich Anzahl und Ausmaß der Hochwasserereignisse erwies sich dieser
Beobachtungszeitraum als günstig. Bereits seit Ende der 1970er Jahre hat die
Anzahl der Hochwassertage pro Jahr im Untersuchungsgebiet ganz erheblich
zugenommen (Abb. 21.) und sich bis 2001 fortgesetzt. Insofern waren die
zahlreichen kleineren Hochwasserereignisse und das Jahrhunderthochwasser an
Pfingsten 1999 lediglich der bisherige Höhepunkt einer seit Jahrzehnten anhaltenden
Hochwasserphase. Mit einem Abfluss von 4540m³/s wurde am Pegel Maxau der
höchste Abflusswert seit Beginn der Messreihe im Jahr 1889 erreicht. Das Ausmaß
der Überschwemmungen
wurde durch Kartierungen im Gelände und durch
Fernerkundungsmethoden bestimmt. Neben über das Landesvermessungsamt
Baden-Württemberg bezogenen aktuellen Luftbildern wurden in insgesamt elf
Befliegungen selbst Luftbilder zur Erfassung des räumlichen und zeitlichen Wandels
der Überschwemmungsflächen erhoben. Die Auswertung des Luftbildmaterials
konnte dank eines DAAD Stipendiums im CESAR Lab der San Diego State
University (USA) durchgeführt werden. Neben aktuellen Luftbildern aus den Jahren
1997 bis 1999 wurden auch Luftbilder aus den 1970er und 1980er Jahren, welche
während oder kurz nach einem Hochwasserereignis entstanden, ausgewertet. Da die
Befliegungen im Hochwasserjahr 1999 von intensiven Vergleichsuntersuchungen am
Boden flankiert wurden, war es möglich, die Korrelation zwischen Überschwemmungen und den auch Monate nach dem Rückzug des Wassers noch
sichtbaren Vegetationsveränderungen sowie die Wiedergabe dieser Vegetationsveränderungen im Luftbild zu untersuchen. Mittels dieser erstmals erprobte Methode
konnte das maximale Ausmaß von Inundationsflächen auch in erst mehrere Monate
nach einem Hochwasser erstellten panchromatischen SW Bildern identifiziert
werden.
134
Die quantitativen Ergebnisse der Geländekartierungen und Luftbildauswertungen
wurden in Form von Inundationsflächenkarten ins GIS implementiert (siehe auch
Abb. 49. bis Abb. 55.; Maximum der Inundationen des Pfingsthochwassers 1999
siehe Abb. 61.). Die Kartierungen zeigten, das die am häufigsten, d.h. bereits bei
Wasserständen von unter 2m ü. MW. überschwemmten Flächen nur einen
verschwindend geringen Flächenanteil von 0,03% an der Gesamtfläche der rezenten
Aue besitzen. Diese im langjährigen statistischen Mitte jährlich bzw. mehrmals
jährlich gefluteten Flächen zählen zu den in auenökologischer Hinsicht besonders
wertvollen Standorten von Schilf und Weichholzaue. Während des Maximum des
Pfingsthochwassers war die gesamte rezente Aue zwischen dem linksrheinischem
und rechtsrheinischem Damm vollständig überflutet. Aufgrund der außerordentlich
lang anhaltenden hohen Wasserstände (siehe Abb. 21.) traten in der Altaue auch
hinter den Dämmen großflächige Überschwemmungen durch aus dem Untergrund
aufquellendes Wasser auf (siehe Abb. 61.). Hierdurch wurden vor allem in Speyer
Industrie- und Gewerbeflächen überschwemmt. Aber auch im nördlichen
Untersuchungsgebiet waren Klagen über Gebäudeschäden zu hören; in
verschiedenen Dauercampinganlagen kam es zu erheblichen Schäden. Die
Kollerinsel wurde trotz Damm durch aufquellendes Wasser zu 58% überschwemmt
und die dortige Ernte fast vollständig vernichtet.
Die im Untersuchungsgebiet beobachteten Inundationsflächen lassen sich in drei
Gruppen einteilen:
- In Direkte Überschwemmungsflächen, welche durch das Ausufern des Rheins
entstehen und flächenmäßig den größten Anteil der Inundationen in der Rezenten
Aue ausmachen.
- In Sickerwassersammelflächen, welche durch in den Untergrund infiltriertes und
hinter dem Damm an die Oberfläche austretendes Flusswasser entstehen. Dieses
oberflächennah unter dem Damm hindurchgesickerte Wasser tritt flächig aus und
sammelt sich, oberflächlich abfließend, in der morphologisch nächst gelegenen
Senke oder wird durch Entwässerungsgräben abgeführt.
- In Druckwasserflächen, in welchen infolge eines hochwasserbedingten
Grundwasserrückstaus auch in weit vom Rheinhauptdamm entfernten Senken
Wasser aus dem Untergrund aufquillt.
Eine genaue Unterscheidung zwischen Sickerwassersammelflächen und
Druckwasserflächen ist in Dammnähe oftmals nicht möglich, da sich auch beide
Effekte überlagern können. In bisherigen Untersuchungen wurden sie auch nicht
voneinander unterschieden sondern grundsätzlich als „Druckwasser“ oder
„Qualmwasser“ bezeichnet. Aufgrund unterschiedlicher Entstehungsursachen und
unterschiedlicher Inundationsdynamik ist eine solche Unterscheidung aber sinnvoll.
Eine differenzierte Betrachtung der Unterschiede der Inundationsflächentypen
erfolgte von 1999 bis 2001. Im Untersuchungsgebiet wurden in verschiedenen
Druckwasserflächen Wasserstandsmessungen, Bodensondierungen und Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt. Von entscheidendem Einfluss auf die
Inundationsdynamik erwies sich die Beschaffenheit des unmittelbaren Untergrunds
der Senken. Während in den rheinnahen Druckwasserflächen das Wasserstandsmaximum in der Regel drei Tage nach dem Gipfel des Rheinhochwassers
erreicht wurde, drang Wasser in Flächen mit einem durch wasserundurchlässige
Sedimente abgedichteten Untergrund erst mit starker Verzögerung ein. Ebenso
erreichte der Wasserstand sein Maximum in diesen Flächen erst Tage bis Wochen
nach der Hochwasserspitze des Rheins. Einmal eingedrungenes Wasser versickerte
allerdings kaum mehr, sondern verblieb dort bis September 1999. Bei diesen Senken
handelte es sich zumeist um allmählich verlandete Hochwasserrinnen und Schluten
135
mit tonigen, oftmals pseudogleyhorizonte aufweisenden Böden. Die drei Grundtypen
der Inundationsflächen wurden deshalb wiederum in Flächen mit und ohne
wasserhemmende Sedimente im Untergrund unterteilt, so dass sich insgesamt sechs
Haupttypen von Überschwemmungsflächen ergeben. Jeder dieser Typen weist ein
charakteristisches Inundationsverhalten auf. Die Inundationsflächen des Untersuchungsgebietes wurden aufgrund der Untersuchungsergebnisse diesen Typen
zugeordnet. Da sich mit ändernden Wasserständen auch die Inundationsdynamik
einer Fläche ändern kann, musste auch der jeweilige Flusswasserstand mit
berücksichtigt werden. Eine Fläche, welche bei niedrigen Rheinwasserständen ein
typisches Druckwasserverhalten an den Tag legt, kann beispielsweise bei einem
weiteren Ansteigen des Rheins direkt überschwemmt und damit zur Direkten
Inundationsfläche werden. Deshalb wurden auch die Rheinwasserstände für welche
sich eine Inundationsfläche einem bestimmten Haupttyp zuordnen lässt erfasst und
in Kartenform (bzw. im GIS) dargestellt (Inundationsflächentypenkarte; siehe Abb.
151.).
Auf Grundlage der Druckwasserflächenuntersuchungen im Gelände wurden
schematische Modelle erstellt, welche grundsätzlich die Interaktion zwischen
Flusswasser und Grundwasser sowie die Folgen für die Inundationsflächenentstehung beschreiben (siehe Abb. 89. bis Abb. 103).
Durch die empirischen Datenerhebungen war es bereits gelungen, die meisten
Fragen bezüglich der Inundationsdynamik des Untersuchungsgebietes qualitativ und
quantitativ zu beantworten. Offen blieb lediglich noch die Frage welche Flächen in
der morphologischen Aue potenziell druckwassergefährdet sind. Antwort darauf gab
die GIS gestützte Auswertung historischer Karten des Untersuchungsgebietes. Die
Arbeitshypothese zu dieser Auswertung lautete, dass zur Zeit der Entstehung der
Rheinstromatlanten im Jahre 1856 eine Fläche in der Rheinniederung lediglich bei zu
starker Bodenvernässung extensiv genutzt wurde. Das aus den historischen Karten
ablesbare räumliche Muster der Flächennutzung spiegelt demnach den Grad der
Bodenvernässung bzw. die Gefahr von Druckwasseraustritten wider. Ein Vergleich
zwischen den 1856 extensiv genutzten Flächen und den 1999 kartierten
Inundationsflächen im GIS ergab, dass 85% aller rezenten Inundationen innerhalb
der einstmals extensiv genutzten Flächen liegen. Diese Zahl bezieht sich allerdings
auf die Gesamtheit aller beobachteten Inundationsflächen. Betrachtet man lediglich
die in der Altaue, also hinter dem Damm aufgetretenen Inundationen, liegen nur noch
61% der rezenten Überschwemmungen in den extensiv genutzten Flächen von 1856.
Hierbei sind allerdings zwei Faktoren zu beachten. Zum einen wurde 28% der
ehemals extensiv genutzten Flächen überbaut oder im Zuge der Kiesgewinnung
vollständig abgetragen. Inundationsflächen können hier folglich heute auch nicht
mehr beobachtet werden. Zum anderen wird das Ergebnis durch die 1999 in
Dammnähe
sehr
zahlreich
und
großflächig
aufgetretenen
Sickerwassersammelflächen verfälscht. Betrachtet man lediglich diejenigen Inundationsflächen, welche im Jahr 1999 weiter als 600m vom Damm entfernt lagen (mit
Sicherheit also keine Sickerwassersammelflächen waren), dann ergibt sich eine
Übereinstimmung von 89% zwischen den 1856 extensiv genutzten Flächen und den
rezenten Druckwasseraustritten. Dieses Ergebnis zeigt eine deutliche Bestätigung
der zu prüfenden Arbeitshypothese und legt den Schluss nahe, künftig diese
Flächen von Bebauung frei zu halten.
Durch die Auswertung der Rheinstromatlanten konnte ferner die Genese der
heutigen Inundationsflächen in der rezenten Aue geklärt werden. So zeigte der
Vergleich rezenter Inundationsflächenkarten mit den historischen Karten im GIS
beispielsweise, dass die heute am häufigsten gefluteten Aueflächen (Überflutung bei
136
Wasserständen bis 2,25cm ü.MW.) zu über 98% erst rund 150 Jahre alt sind und im
Zuge der Oberrheinkorrektur in den verlassenen Teilen des Gerinnebettes des
Stromes entstanden. Eine räumliche Identifizierung dieser Flächen ist für die
biologische Stechmückenbekämpfung relevant, da sich hier die bevorzugten
Eiablagehorizonte von Aedes Vexans befinden. Mit der Analyse historischer Karten
ist somit eine Methode gefunden, einen Großteil dieser bevorzugten
Stechmückenbrutplätze (im Untersuchungsgebiet 98%) lediglich auf der Basis einer
GIS gestützten Karteninterpretation zu identifizieren.
Die Ergebnisse aus den Geländeuntersuchungen und der Auswertung historischer
Karten wurden nun dazu verwendet, ein realistisches, GIS-gestütztes Modell der
Inundationsflächenentstehung in Abhängigkeit vom Rheinwasserstand zu erstellen.
Für den nördlichen Teil des Untersuchungsgebietes wurde ein räumlich hoch
aufgelöstes digitales Geländehöhenmodell (DGHM) auf Basis der DGK5 und
aktueller Luftbilder erstellt. Das Geländemodel wurde unter stark vereinfachenden
Annahmen für die Simulation der bei verschiedenen Wasserständen zu erwartenden
Überschwemmungen
herangezogen
(einfaches
deduktives
Inundationsflächenmodell). Die so im GIS simulierten Inundationen wurden mit den im Gelände
tatsächlich aufgetretenen Überschwemmungsflächen verglichen. Dieser Abgleich
ergab eine gute Übereinstimmung zwischen berechnetem und beobachtetem Umriss
und Flächeninhalt der Inundationsflächen. Allerdings lagen die Wasserstände, bei
welchen die berechneten Überschwemmungsflächen tatsächlich auftreten, deutlich
über den der jeweiligen Berechnung zugrundeliegenden Wasserständen. Bei
Druckwasserflächen war der Fehler am ausgeprägtesten. Aufgrund dieser
Ergebnisse wurde für die Erstellung des im Rahmen der vorliegenden Arbeit
entwickelten Inundationsflächenmodells drei verschiedene Teilmodelle erarbeitet: Für
jeden der Grundinundationsflächentypen (Direkte Inundationsflächen, Sickerwassersammelflächen, Druckwasserflächen) wurde ein eigenes Inundationsflächenmodell mit z.T. unterschiedlichem Modellansatz erstellt.
Die anhand der Modelle für das Untersuchungsgebiet berechneten Überschwemmungen sind in Abhängigkeit vom jeweils zugrunde liegenden Wasserstand
in Abb. 139. bis Abb. 145. sowie Abb. 150. bis Abb. 152. dargestellt.
137
X. Anhang
X.1. Begriffsklärung
Hochwasser
Der Begriff „Hochwasser“ assoziiert allgemein die Vorstellung von bedrohlichen,
katastrophalen Extremabflüssen, bei denen ein Fluss weit über seine Ufer tritt. Die in
der vorliegenden Arbeit betrachteten Wasserstände des Rheins und die ihnen
entsprechenden Inundationsflächen sind dagegen häufige Erscheinungen, die z.T.
mehrmals im Jahr auftreten. Gemäß der Definition in DIN 4049, der deutschen
hydrologischen Begriffsnorm, ist Hochwasser der „Zustand in einem oberirdischen
Gewässer, bei dem der Wasserstand oder der Durchfluss einen bestimmten Wert
(Schwellenwert)
erreicht
oder
überschritten
hat“39.
Für
mikroskalige
Überschwemmungsflächenkartierungen im Rahmen der biologischen Stechmückenbekämpfung sind bereits Überschwemmungen, die bei Wasserständen von
wenigen Dezimetern über dem Mittelwasserstand (MW) auftreten, von Bedeutung.
Folglich werden in dieser Arbeit alle Rheinwasserstände, die über dem langjährigen
(30 jährigen) MW des Rheins liegen, als Hochwasser bezeichnet.
Auen
„Als Au (Aue, Auen) bezeichnet man räumlich jene Talzonen, die innerhalb des
Einflussbereichs von Hochwassern liegen“,
definiert GEPP (1985)40. Durch
anthropogene Verbauungen, in erster Linie durch Ausdeichungen, sind am Oberrhein
weite Flächen aus der rezenten Überschwemmungsdynamik ausgeschieden. Zur
Unterscheidung von den noch überflutbaren Flächen, der „Jungaue“ oder „rezenten
Aue“, werden sie als „Altaue“ oder „morphologische Aue“ bezeichnet41.
MÜHLINGHAUS (1991) schlägt darüber hinaus den Begriff der „heutigen potentiellen
natürlichen Aue (hpnA)“ für die Teile der Gewässerniederung vor, „die nach
(zunächst theoretischer) Beseitigung künstlicher Hindernisse im Einflussbereich des
Hochwassers lägen, also das Gebiet, das aufgrund der morphologischen
Gegebenheiten und gemessen an den gegenwärtigen Abflussverhältnissen vom
Gewässer beeinflusst würde, wenn alle Regulierungs- und Schutzmaßnahmen
entfielen“42.
Mikroskalige Inundationsflächenkartierungen
Unter „mikroskalige Inundationsflächenkartierungen“ wird in dieser Arbeit eine
räumlich hochauflösende Kartierung von Überschwemmungsflächen verstanden.
Derartige Karten enthalten auch Wasserflächen mit einer Ausdehnung von lediglich 1
bis 2m².
Direkte
Überschwemmungsflächen,
Druckwasser
und
Sickerwassersammelflächen
Während eines Hochwassers treten in der morphologischen Aue des Rheins
verschiedene Überschwemmungstypen auf. Wenn Abfluss und Wasserstand des
Flusses zunehmen, beginnt er, über die Ufer zu treten und die flussnahen
Auebereiche zu überschwemmen. Diese Inundationsflächen werden in dieser Arbeit
39
Normenausschuß Wasserwesen (NWA) (1994), Hydrologie Teil 3: DIN 4049-3
Gepp in: Hentschel; Roth (1997), S.39
41
Hentschel; Roth (1997), S.39
42
Mühlinghaus in: Hentschel; Roth (1997), S.39
40
138
als direkte Überschwemmungsflächen bezeichnet. Direkte Überschwemmungsflächen treten (außer bei einem Dammbruch) nur in der durch den
Rheinhauptdamm begrenzten rezenten Aue auf. Da ein Hochwasserereignis in
Flussnähe aber immer mit einem Anstieg des Grundwasserspiegels einhergeht,
können vor allem bei lang anhaltenden erhöhten Wasserständen nicht nur in der
rezenten Aue, sondern auch in der Altaue Überschwemmungsflächen entstehen.
Das Wasser strömt in diesem Fall nicht oberflächlich in eine Geländesenke. Die
Überschwemmungen entsehen vielmehr durch an die Oberfläche tretendes
Grundwasser (bzw. Uferfiltrat). Am Rhein spricht man bei dieser Erscheinung von
Druckwasser, an der Elbe von Qualmwasser. Als dritte Gruppe sind die
Sickerwassersammelflächen zu nennen. Zumeist entstehen sie durch Uferfiltrat, das
bei starken Hochwasserereignissen nur eine kurze Strecke im Untergrund zurück
legt, bevor es am Dammfuß wieder austritt. Das Wasser tritt meist flächig aus und
fließt oberflächlich in die nächstgelegene Geländesenke. Weitere Ausführungen und
Beispiele zu dieser Thematik sind zentraler Gegenstand der vorliegenden Arbeit,
weshalb an dieser Stelle keine weiteren Ausführungen erfolgen.
Rheinspezifische Begriffe aus dem morphologischen Formenkreis
In den Rheinbefahrungsprotokollen und historischen Karten werden teilweise heute
nicht mehr gebräuchliche Bezeichnungen für den geomorphologischen bzw. fluvialen
Formenschatz der Rheinauen verwendet. Diese überkommenen Bezeichnungen
finden sich auf den aktuellen topographischen Karten häufig noch in Flurnamen und
erlauben in einigen Fällen Rückschlüsse auf Veränderungen in der Hydrologie der
Rheinauen43. Im folgenden seien die gebräuchlichsten Begriffe kurz erläutert:
Gießen:
Ein schmaler tiefer Rheinarm mit hohen Ufern und ohne Sand- oder Kiesbänke.
Altrhein:
Eine seit dem 12. Jh. belegte Bezeichnung für die Reste alter, abgeschnittener
oder verlandeter Flussschlingen.
Eisbruch:
Ein flacher, leicht zufrierender Seitenarm, in dessen Eis Löcher gebrochen und
die Fische in Netze getrieben wurden.
Kehle:
Ein breiter Rheinarm mit Sandbänken.
Hoher oder
Voller Rhein:
Im Übergangsbereich zwischen Furkations- und Mäanderzone bestanden
neben dem Hauptgerinne noch zahlreiche kleinere Wasserläufe und Gerinne.
Zur Abgrenzung von diesen vor allem bei Hochwasser gefüllten Gerinnen
wurde der Hauptstrom als "Voller Rhein" bezeichnet.
Schlute:
Schlammige Altrheine, die nur bei Hochwasser Wasser führen.
Seen:
Sind hier meist vom fließenden Wasser gänzlich abgeschnittene Reste früherer
Altrheine.
Lachen:
Kleine Wasserlöcher. Meist handelte es sich um Senken, die bei Hochwasser
vom Rhein überflutet wurden und nach dem Rückgang der Überschwemmung
leicht zu befischen waren.
Wasser:
Diese Bezeichnung wird sowohl für stehendes wie für kleineres fließendes
Wasser gebraucht.
43
Musall (1969), S.52f
139
X.2. Ökologie, Brutplätze und Bekämpfung der
Culicinaen am Oberrhein
X.2.1. Stechmückenarten am Oberrhein
Von den 46 in Deutschland nachgewiesenen Stechmückenarten (Culicinae) treten
mindestens 33 Arten in den Oberrheingebieten auf. Die Culicinae werden in 6
Gattungen unterteilt: Aedes, Culex, Culiseta, Anopheles, Mansonia und Uranotaenia.
Die einzelnen Arten unterscheiden sich z.T. erheblich in ihrer Ökologie und Biologie.
Eine sinnvolle Bekämpfung der Culiciden muss auf ihre Brutstätten - den
Inundationsflächen in der Flussaue - abzielen, da sie dort konzentriert vorliegen
(BECKER 1984, S.62). Während die Identifizierung und Charakterisierung der
Stechmückenbrutplätze unter biologischen Gesichtspunkten (nicht zuletzt aufgrund
der langjährigen, die Stechmückenbekämpfung am Oberrhein flankierenden
wissenschaftlichen Untersuchungen der KABS) weit vorangeschritten ist, hat die
vorliegende Dissertation gezeigt, dass der Erfassung und Prognose der räumlichzeitlichen Dynamik dieser Brutareale bisher von wissenschaftlicher Seite kaum
Beachtung geschenkt wurde. Der Wert eines räumlich hoch aufgelösten
Inundationsflächenmodells für die Parxis der Stechmückenbekämpfung ergibt sich
bereits aus dem Studium des Reproduktionsverhalten der Culiciden. In folgenden soll
deshalb abschließend kurz die Ökologie, die Brutstätten und die Bekämpfung der
Stechmücken am Oberrhein vorgestellt werden (Siehe auch BECKER / GLASER /
MAGIN 1996; S.26/40):
X.2.1.1. Aedes- Arten oder Überschwemmungsmücken
Mit 25 Arten macht diese Gattung mehr als die Hälfte der einheimischen
Stechmückenarten aus. Hinsichtlich ihres Brutgeländes und ihrer Entwicklungsbiologie lassen sich die Aedes-Arten unterteilen in:
X.2.1.1.1. Waldmücken
(z.B. Aedes cantans, Ae. punctor, Ae. communis und Ae. rusticus)
Als Brutareale dienen sumpfige Waldgebiete (z.B. Erlenbruchwälder), in denen
nach der Schneeschmelze und nach starken Regenfällen im Frühjahr
wassergefüllte Waldgräben und Waldtümpel als Brutplätze entstehen, wie z.B.
im Bienwald, Bellheimer- und Haßlocher Wald sowie den rechtsrheinischen
Hardtwäldern. Die Waldmücken verlieren mit ansteigender Temperatur ihre
Schlüpffähigkeit und sind bereits bei den Hochwassern im Mai schon nicht mehr
als Larven nachzuweisen (BECKER 1984; S.75).
X.2.1.1.2. Wiesen- und Auwaldmücken
(z.B. Aedes vexans (Rheinschnaken), Ae. sticticus)
Die häufigsten Arten in den Rheinauen sind Aedes sticticus und Aedes vexans.
Aedes vexans zeichnet sich besonders bei Sommerhochwassern durch eine
außerordentliche Massenentwicklung aus. Sie macht meist mehr als 80% der
sommerlichen Stechmückenfauna aus. Im Oberrheingebiet werden die Aedes
vexans-Mücken deshalb auch „Rheinschnaken“ genannt. Die Brutareale von
Aedes vexans sind in der Regel temporäre Gewässer im Überschwemmungsbereich des Rheins, wie z.B. Flächen, die bei einem Hochwasser, direkt oder
140
durch Grundwasserrückstau, überschwemmt werden und nach zwei bis drei
Wochen wieder trocken fallen. Ihre Fähigkeit zur Massenvermehrung sowie ein
starker Wanderungstrieb - Wanderungen von mehreren Kilometern am Tag
sind möglich - machen sie im Oberrheingebiet zum mit Abstand größten
Plageerreger (BECKER / GLASER / MAGIN 1996; S. 41). Ursache der
Wanderungen ist der große Populationsdruck, der aus der Neigung zu
Massenentwicklung und dem Mangel an Wirten für eine Blutmalzeit in der Nähe
der Brutstätten resultiert.
X.2.1.2. Culex- Arten
Die bekannteste Culex-Art, Culex pipiens oder auch "Hausmücke" genannt, lebt
meist im Bereich menschlicher Siedlungen. Hausmücken wandern nur wenig und
sind ausgesprochene Dämmerungs- und Nachttiere. Im Gegensatz zu den AedesArten überwintern die begatteten Weibchen und beginnen erst im Frühjahr mit der
Ablage der Eier auf die Wasserfläche. Als Brutstätte kommen alle stehenden oder
langsam fließenden Wasseransammlungen in Frage, die länger als zwei Wochen
bestehen (BECKER / GLASER / MAGIN 1996; S. 48f).
X.2.1.3. Weitere Gattungen
Den anderen vier Gattungen Culiseta, Anopheles, Mansonia und Uranotaenia kommt
als Plageerreger keine besondere Bedeutung zu, teils aufgrund ihrer geringen
Population, teils weil sie Menschen eher selten als Wirte aufsuchen.
Die Anopheles-Mücken sind der alleinige Überträger der menschlichen Malaria,
weshalb sie auch Fieber- oder Malaria-Mücken heißen. Obwohl es in Deutschland
sechs Anopheles-Arten gibt, sind autochtone Malariafälle seit Jahrzehnten in
Deutschland nicht mehr bekannt. In der Vergangenheit sind in Deutschland
besonders nach Kriegswirren immer wieder Malariaepidemien aufgetreten, z.B. dann,
wenn zahlreiche infizierte Menschen aus Malariagebieten zurückgekehrt sind
(BECKER / GLASER / MAGIN 1996; S. 27). Zur Gattung der Uranotaenia ist
anzumerken, dass sie erstmals 1994 für Deutschland nachgewiesen wurde. Ihren
Verbreitungsschwerpunkt haben diese Mücken im indo-afrikanischen bis
mediterranen Raum. Offensichtlich haben die relativ milden Winter und heißen
Sommermonate Anfang der neunziger Jahre die Ausbreitung dieser wärmeliebenden
Arten begünstigt (BECKER / GLASER / MAGIN 1996; S. 27f).
X.2.2.Ökologie und Brutplätze der Aedes vexans
Wie bereits aus den obigen Ausführungen ersichtlich, ist der eigentliche Plageerreger
am Oberrhein Aedes vexans. Das Hauptziel der Arbeiten der KABS besteht folglich
in einer Reduzierung der Aedes vexans Population auf ein Maß, dass ein
Auswandern der Stechmücken aus den Rheinauen verhindert. Aufgrund dieses
Arbeitsschwerpunktes der KABS werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit
lediglich die potentiellen Brutplätze der "Rheinschnaken" näher betrachtet. Durch
ähnliche Habitatsansprüche und biologische Eigenheiten fallen die Brutplätze der
Arten Aedes sticticus und Aedes Rossicus unwillkürlich mit in diese Untersuchung.
Um Aussagen über die Eigenschaften von Aedes vexans Brutstätten treffen zu
können, ist eine fundierte Kenntnis der Ökologie und insbesondere des
141
Reproduktionsverhaltens dieser Art notwendig. Die umfassendste Untersuchung der
Stechmücken am Oberrhein gibt BECKER44:
X.2.2.1. Die Eiablage
Die Weibchen der Auwaldmücken legen ihre Eier etwa 5 Tage nach der
Blutmahlzeit, wobei ein einzelnes Weibchen über 100 Eier ablegen kann. Nach
weiteren Blutmahlzeiten sind weitere Eiablagen möglich, ohne dass eine erneute
Begattung vollzogen werden muss.
Im Gegensatz zu den "Hausschnaken", die als Eiablageorte offene Wasserflächen
(z.B. Regentonnen) verwenden, legen die Aedini ihre Eier einzeln auf die feuchte
Erde. In Uferbereichen wurden nicht selten mehr als 50.000 Aedes-Eier pro
Quadratmeter nachgewiesen. Einerseits müssen die Brutstätten genügend
Feuchtigkeit besitzen, um die Eier während der Embryonalentwicklung vor dem
Austrocknen zu schützen. Andererseits muss bei einer späteren Überschwemmung
eine ausreichend lange Wasserführung für eine Entwicklung bis zum Imago
gewährleistet sein. Geeignete Stellen sind alle Plätze mit erhöhter Feuchtigkeit, z.B.
in den Uferpartien von Gewässern oder in feuchten Senken.
X.2.2.2. Das Schlüpfen der Larven
Nach dem Durchlaufen des Embryonalstadiums innerhalb von etwa 8 Tagen ist die
junge Larve theoretisch schlüpffähig. Allerdings ist eine Vielzahl von
Umwelteinflüssen notwendig, um einen Schlüpfreiz auszulösen (Für eine eingehende
Betrachtung siehe auch WEISER / GLOWITZ 1990; S.5 und BECKER 1984; S.196):
?? Überschwemmung der Brutstätte
Wichtigster Schlüpfimpuls, ohne den es kein Schlüpfen gibt, ist die Überflutung
der Eier mit Wasser und der plötzliche Wechsel des Mediums von Luft zu
Wasser. Die Brutstätten der Aedes vexans (sowie diejenigen von Aedes
sticticus und Aedes rossicus) sind deshalb mit der Dynamik des sommerlichen
Abflussregimes des Rheins eng verbunden. In Abhängigkeit von den
Wasserstandsschwankungen des Flusssystems treten Stechmückenplagen
besonders in den Jahren auf, in denen durch mehrere sommerliche
Hochwasserwellen starke Wasserstandsschwankungen in Verbindung mit
hohen Temperaturen auftreten. Unter solchen Bedingungen entstehen in einem
Sommer mehrere Stechmückengenerationen. In Jahren mit durchgehend
niedrigen Wasserständen des Rheins (z.B. im Jahr 1976) ist die Vermehrung
von Aedes vexans verschwindend gering. Die Horizonte mit der größten
Eiablagedichte befinden sich zwischen 1.70 m und 1.80 m über
Mittelwasserstand (im folgenden: „ü. MW“).
?? Wassertemperatur
Großen Einfluss auf das Schlüpfen hat die Wassertemperatur zum Zeitpunkt
der Flutung. Beispielsweise können bei einer Wassertemperatur von 10 Grad
Celsius bereits größere Mengen von Aedes vexans-Embryonen aus ihren Eiern
schlüpfen. Wie die Versuche von BECKER zeigten, ist der Einfluss der
Temperatur auf das Schlüpfverhalten keineswegs trivial und muss in hohem
Maße differenziert betrachtet werden (BECKER 1984; S. 225-230).
44
Becker, N. (1984): Ökologie und Biologie der Culicinae in Südwest-Deutschland.
142
?? Jahreszeit/Lichtphase
Während Arten wie Aedes cantans bereits früh im Jahr mit ihrer Entwicklung
beginnen, ist mit einem Schlüpfen von Aedes vexans erst mit den Hochwassern
im Monat Mai zu rechnen. Die Rheinschnaken sind polyzyklisch, können als
innerhalb eines Jahres mehrere Generationen erzeugen. Eine Brut ist von April
bis September möglich. Die Länge der Tage beeinflusst die Schlüpfrate.
?? Sauerstoffgehalt
Ein zurückgehender Sauerstoffgehalt des Überflutungswassers signalisiert den
Larven, dass das Wasser zum Stillstand gekommen ist und die Gefahr des
Verdriftens nicht mehr gegeben ist. Außerdem treten Fische als gefährlichste
Fressfeinde der Stechmückenlarven meist nicht mehr in den seichten
Restgewässern auf.
?? Alter der Eier
Das Alter und der physiologische Zustand der Embryonen in den Eiern, der
durch verschiedene Umwelteinflüsse, wie z.B. lange Trockenheit modifiziert
wird, beeinflussen ebenfalls die Schlüpfquote.
?? Biotopcharakter der Brutstätte
Der Einfluss des Biotopcharakters der Brutstätte ist bei Aedes vexans gering.
Diese Spezies ist sowohl in beschatteten Auwaldtümpeln und -gräben als auch
in Wiesen und gelegentlich in Ackergelände in Massen vertreten (BECKER
1984;
S.78). Typische Brutplätze von Aedes vexans sind deshalb so
verschiedene Biotope wie feuchte Wiesen, Schilfgebiete, feuchte Ränder von
Tümpeln oder häufig überschwemmte Pappelkulturen. Dagegen besitzt Aedes
sticticus eine eindeutige Präferenz für beschattete Gewässer, ohne jedoch in
offenem besonntem Gelände im Artenspektrum ganz zu fehlen. Der bevorzugte
Eiablagehorizont wird also in erster Linie von der Bodenfeuchte und dem
Deckungsgrad der jeweiligen Krautschicht bestimmt und nicht von einer Affinität
zu bestimmten Pflanzenarten. Dennoch können die bevorzugten
Ablagehorizonte den Röhrichten (Phragmites und Phalaris), den
Großseggenriedern und den feuchten Hochstaudenbereichen (Senecio, Urtica)
in der Weichholzaue zugeordnet werde. Ebenso beliebte Horizonte liegen in
nassen bis feuchten Wiesen in Höhen bis ca. 180 m ü MW (WEISER /
GLOWITZ 1990, S.5).
?? abiotische Bedingungen
In Gewässern mit hohem Verschmutzungsgrad kommen keine Aedes-Arten vor.
Die von ihnen besiedelten Gewässer besitzen niedrige Ammonium- und
Chloridwerte, sowie eine Leitfähigkeit von unter 1000 nüS. Diese
Voraussetzungen sind in den Inundationsgebieten des Rheins gegeben. Über
den Einfluss der anthropogen erhöhten Chloridwerte infolge der Kaliproduktion
am Oberrhein liegen keine Untersuchungen vor.
?? weitere Umwelteinflüsse
Umwelteinflüsse wie z.B. abwechselndes Trockenfallen und Überfluten,
wechselnde Luftfeuchtigkeit und Temperaturschwankungen (Mikroklima) im
Eiablagegebiet erhöhen bei Aedes vexans die Schlüpfbereitschaft.
143
?? Schlüpfen in Raten (istallment hatching)
Die von BECKER 1984 durchgeführten Versuche zeigen, dass selbst bei
mehrmaligem Eintreffen der notwendigen Schlüpfvoraussetzungen nicht alle
Aedes-Eier gleich reagieren (BECKER 1984; S.195). Nach jeder Überflutung
schlüpft nur ein Teil der Larven, während ein anderer Teil trotz guter
Bedingungen im Ei verbleibt. Dieses Schlüpfen in "Raten" resultiert aus der
Heterogenität der abgelegten Eier. Jedes Ei hat seine eigene "Geschichte" in
Bezug auf Alter und mikroklimatische Lagerungsbedingungen. Die Aedes-Arten
sind dadurch an die Unsicherheiten der Wasserführung temporärer Gewässer
bestens angepasst. Wenn die beim ersten Hochwasser geschlüpften Larven
wegen einer zu raschen Austrocknung der Brutstätte nicht mehr das ImagoStadium erreichen, verbleiben genügend Eier für spätere Hochwasser
schlüpffähig. Es ist aber von Hochwasser zu Hochwasser mit abnehmenden
Larvenmengen zu rechnen, sofern nicht eine neue Generation im
fortgeschrittenen Sommer einen zweiten Vermehrungszyklus begonnen hat.
X.2.2.3. Von der Larve bis zum Fluginsekt
Die Entwicklung vom Ei bis zum Fluginsekt verläuft - ebenso wie bei allen anderen
Stechmückenarten - über vier Larvenstadien und ein Puppenstadium. Die
Entwicklung vom Schlüpfen aus dem Ei bis zum Fluginsekt ist temperaturabhängig
und dauert bei hochsommerlichen Temperaturen in der Regel nur etwas mehr als
eine Woche. Diese kurze Entwicklungszeit begünstigt die Entwicklung in den
temporären, nur zeitweise wasserführenden Überschwemmungsgewässern
(BBECKER / GLASER / MAGIN 1996; S.44).
X.2.3.Biologische Stechmückenbekämpfung am Oberrhein
X.2.3.1. Anfänge der Stechmückenbekämpfung
Einen anschaulichen Eindruck von der Situation in den Rheinauen während der
Rheinbegradigung und
vor dem Beginn der systematischen Stechmückenbekämpfung gibt J.W. Goethe in „Dichtung und Wahrheit“ (GOETHE 1833, S.117)45:
" ...und (wir) hätten uns hier, in den traulichen Fischerhütten, vielleicht mehr als billig
angesiedelt, hätten uns nicht die entsetzlichen Rheinschnaken nach einigen Stunden
wieder weggetrieben. Über diese unerträgliche Störung einer der schönsten
Lustpartien(...) brach ich wirklich,(...), in Gegenwart des guten geistlichen Vaters, in
gotteslästerlichen Reden aus und versicherte, dass diese Schnaken allein mich von
dem Gedanken abbringen könnten, als habe ein guter und weiser Gott die Welt
erschaffen."
(Siehe hierzu auch Abb.A.1.). Vor dem Ende des 19. Jh. waren aufgrund des
geringen Wissens über die Ökologie der Stechmücken Maßnahmen zur
Eindämmung der sommerlichen Massenvermehrung von Aedes vexans nicht
möglich. Seit Anfang dieses Jahrhunderts und vor allem seit den 30er Jahren sind
Aktivitäten einer „Vereinigung zur Bekämpfung der Stechmücken- und
Schnakenplage“ für den Oberrhein bekannt. Bis in die 50er Jahre bestanden
Polizeiverordnungen, mit denen den Bürgern die Durchführung von
Bekämpfungsmaßnahmen gegen die Stechmücken unter Androhung von Strafen
auferlegt waren (BECKER / GLASER / MAGIN 1996; S.14f).
45
Goethe, J.W. (1833): Aus meinem Leben. Dichtung und Wahrheit. S.117
144
Die heutige Stechmückenbekämpfung geht auf das Jahr 1976 zurück. 20
Körperschaften - Städte, Gemeinden, Landkreise - längs des Rheins zwischen
Karlsruhe und Ludwigshafen gründeten die „Kommunale Aktionsgemeinschaft zur
Bekämpfung der Schnakenplage“ (KABS). Bis zum Jahr 1984 erhöhte sich die
Mitgliederzahl auf 45; bis 1996 stieg die Zahl der Vollmitglieder auf 92. Das heutige
Arbeitsgebiet der KABS erstreckt sich mit einigen Lücken vom Ortenaukreis bis in
den Landkreis Mainz-Bingen.
X.2.3.2. Methoden der Stechmückenbekämpfung
Anfang dieses Jahrhunderts bestanden die Bekämpfungsmethoden in der Pflege der
natürlichen Fressfeinde der Stechmücken und dem Ausbringen von
„Schnakensaprol“, einem Erdöldestillat, das auf die Wasseroberfläche aufgebracht
wurde (BECKER / GLASER / MAGIN 1996; S.13). In den ersten Jahren der KABS
wurde aus Mangel an Alternativen Liparol eingesetzt. Liparol war ein an der
Universität Heidelberg von Prof. Dr. SCHNETTER und Dr. ENGELER-FRITZ
entwickeltes Gemisch aus Sojalezithin und dünnflüssigem Parafinöl. Bei einer
Aufwandmenge von 4-8 l/ha erzeugte es einen dünnen Oberflächenfilm auf den
Brutgewässern, die in weniger als einer Stunde die Stechmückenpuppen und einen
Teil der Stechmückenlarven zum Ersticken brachte. Es starben jedoch als
unerwünschter Nebeneffekt auch diejenigen Wasserinsekten, die an der
Wasseroberfläche atmen oder leben. Weitere Nachteile der Liparol-Methode waren
ein hoher Arbeitsaufwand unter starkem Zeitdruck - Stechmücken durchlaufen das
Puppenstadium in etwa zwei bis vier Tagen - und relativ hohe Bekämpfungskosten.
In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Heidelberg wurden
Anstrengungen unternommen, effektive biologische Bekämpfungsverfahren zu
entwickeln. Mit der Entdeckung der entomopathogenen Bakterien, wie Bacillus
thuringensis israelensis (B.t.i.) und Bacillus shaericus (B. sphaericus), die für
Stechmücken hochtoxische Endotoxine produzieren, wurde der Grundstein für die
biologische Stechmückenbekämpfung in Deutschland gelegt BECKER / GLASER /
MAGIN 1996; S. 62f. Ihr Vorteil liegt in der selektiven Wirkung: Nur bei vielfacher
Überdosierung können andere Mückenarten getroffen werden (z.B. die Zuckmücke).
Die seit den 80er Jahren bis heute gültigen Methoden der Stechmückenbekämpfung
der KABS sind:
1. Mikrobiologische und biologische Methoden:
?? Einsatz von B.t.i. und B. sphaericus
?? Schutz und Förderung der Fressfeinde
2. Wasserbauliche Maßnahmen:
?? Schaffung von ökologisch wertvollen Fließgewässern als Lebensraum für
Fressfeinde;
?? Optimierung des Grabensystems, um den wichtigsten Fressfeinden - den
Fischen - das Ein- und Auswandern zu ermöglichen.
Für eine Erläuterung des spezifischen Wirkungsmechanismus von B.t.i. uns B.
sphaericus sei auf GOLDBERG / MARGALIT 1977; S.355ff und SCHNETTER /
ENGELER / MORAWCISK / BECKER 1981; S. 195ff verwiesen. Da die Präparate
aber nur während des Larvenstadiums der Stechmücken ihre Wirkung entfalten,
muss bei sommerlichen Hochwassern eine Behandlung sämtlicher Aedes vexansBrutstätten der Mitgliedskommunen der KABS am Oberrhein innerhalb von (je nach
Wassertemperatur) 6 bis 10 Tagen erfolgen. Das Applizieren der B.t.i. Präperate ist
in den Abbildungen A.2. bis A.4. dargestellt. Der erfolgreiche Einsatz der
145
mikrobiologischen Methoden ist angesichts dieses Zeitdrucks davon abhängig, ob
die Inundationsdynamik der Überschwemmungsflächen auf der Gemarkung der
Mitgliedskommunen in hinreichendem Maße bekannt ist. Je genauer das Ausmaß
der zu erwartenden Überschwemmungsflächen abgeschätzt werden kann, desto
gezielter kann der Einsatz von B.t.i. Präparaten geplant werden und umso geringer
sind die Bekämpfungskosten und das Risiko, dass andere Mückenarten von der
Bekämpfung in Mitleidenschaft gezogen werden.
146
XI. Literatur
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RHEINLAND-PFALZ
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LANDESVERMESSUNGSAMT BADEN-WÜRTEMBERG (1994): Deutsche
Grundkarte 1:5000.
Verwendete Kartenblätter:
Blatt 6516.10 Altripp Süd, Blatt 6616.2 Kollerhof, Blatt 6616.3 Otterstadt,
Blatt 6616.4 Böllenwörth, Blatt 6616.5 Ketsch Pfalzwörth, Blatt 6616.6
Deutschhof, Blatt 6616.7 Herrenteich, Blatt 6616.a Speyer Rheinbrücke, Blatt
34605462 Speyer Neuer Hafen, Blatt 6616.11 Altlußheim, Blatt 6716.1 Insel
Horn, Blatt 6716.2 Rheinhausen Ost.
155
LANDESVERMESSUNGSAMT RHEINLAND-PFALZ (1994): Deutsche Grundkarte
1:5000, Blatt 34605468 Binshof, Blatt 34605472 Waldsee Ost.
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Entwicklungsmöglichkeiten
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im
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X.2. Nachweis der zitierten Literatur und Pressemitteilungen aus
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Lawinen
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162
X.3. Nachweis des verwendeten historischen Kartenmaterials
Beiträge zur Hydrogrographie des Großherzogtums Baden. Bearb. V. d.
Centralbureau für Meteorologie und Hydrographie im Großherzogtum Baden(1885)
Karlsruhe, Heft III. Vergleich des Laufs des Rheins von 1819 und 1885. Maßstab
1:25 000.
Signatur im GLA: Abteilung H-C/ 62
Carte über den Lauf des Rheins von Lauterburg bis unterhalb Sandhofen längs der
badisch- bayrischen Genze in 8 Blättern nach dem Maßstab 1:20 000. Darstellend
den Zustand des Stromes im Jahre 1856/58. Bearb. V. d. Großherzogl. Oberdirektion
des Wasser- und Straßenbaus. Karlsruhe o.J.
Signatur im GLA: Abteilung H/ Rheinstrom/81: Blätter 5 (Speyer) /6 (Ketsch)
Carte über den Lauf des Rheins von Lauterburg bis unterhalb Sandhofen längs der
badisch- bayrischen Genze in 8 Blättern nach dem Maßstab 1:20 000. Darstellend
den Zustand des Stromes im Jahre 1875. Bearb. V. d. Großherzogl. Oberdirektion
des Wasser- und Straßenbaus. Karlsruhe o.J.
Signatur im GLA: Abteilung H/ Rheinstrom/92: Blätter 5 (Speyer) /6 (Ketsch)
Handzeichnung: Darstellung der Rheinniederung bei Rheinhausen von 1790.
Maßstab: unbekannt; Autor o. Herausgeber unbekannt (1803): ohne Titel.
Signatur im GLA: Abteilung H - Rheinhausen / 4
Lauf des Rheins 1925. Autor o. Herausgeber unbekannt (o.J.): Maßstab 1:25 000;
Signatur im GLA: Abteilung H-C/25: Blatt III (Speyer)
Topographischer Atlas über das Großherzogthum Baden nach der allgemeinen
Landesvermessung des Großherzoglichen militairisch topographischen Bureaus.
(1838). Maßstab 1:50 000, Blatt 6.
Reproduktion nach einem Original der Badischen Landesbibliothek Karlsruhe.
Herausgegeben vom Landesvermessungsamt Baden - Württemberg. Stuttgart 1984.
Topographischer Atlas über das Großherzogthum Baden nach der allgemeinen
Landesvermessung des Großherzoglichen militairisch topographischen Bureaus.
(1838). Maßstab 1:50 000, Blatt 11.
Reproduktion nach einem Original der Badischen Landesbibliothek Karlsruhe.
Herausgegeben vom Landesvermessungsamt Baden - Württemberg. Stuttgart 1984.
Topographischer Atlas über das Großherzogthum Baden nach der allgemeinen
Landesvermessung des Großherzoglichen militairisch topographischen Bureaus.
(1844). Maßstab 1:50 000, Blatt 33.
Reproduktion nach einem Original der Badischen Landesbibliothek Karlsruhe.
Herausgegeben vom Landesvermessungsamt Baden - Württemberg. Stuttgart 1984.
Topographischer Atlas über das Großherzogthum Baden nach der allgemeinen
Landesvermessung des Großherzoglichen militairisch topographischen Bureaus.
(1845). Maßstab 1:50 000, Blatt 40.
Reproduktion nach einem Original der Badischen Landesbibliothek Karlsruhe.
Herausgegeben vom Landesvermessungsamt Baden - Württemberg. Stuttgart 1984.
163